Caching 直接映射缓存是如何工作的？

我正在学习系统架构课程，我很难理解直接映射缓存是如何工作的

我看了好几个地方，他们用不同的方式解释，这让我更加困惑

我无法理解的是什么是标记和索引，以及它们是如何选择的

我演讲的解释是： “地址分为两部分 用于直接寻址（32k）RAM的索引（例如15位） 地址的其余部分，将存储标记并与传入标记进行比较。”

那标签是从哪里来的？它不能是RAM中内存位置的完整地址，因为它使直接映射缓存无效（与完全关联缓存相比）

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非常感谢。

让我们举个例子。具有16字节缓存线的64 KB缓存具有4096条不同的缓存线

你需要把地址分成三个不同的部分

最低位用于告诉您当您取回缓存线中的字节时，该部分不会直接用于缓存查找。（本例中的位0-3）

下一位用于索引缓存。如果将缓存视为缓存线的一大列，则索引位会告诉您需要查找数据的行。（本例中的第4-15位）

所有其他位都是标记位。这些位存储在标记存储中，用于缓存中存储的数据，我们将缓存请求的相应位与我们存储的数据进行比较，以确定我们正在缓存的数据是否是被请求的数据

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用于索引的位数是log_base_2（缓存线的数量）[实际上是集合的数量，但在直接映射缓存中，有相同数量的行和集合]

直接映射缓存就像一个表，其中有行也称为缓存线，至少有两列，一列用于数据，另一列用于标记

下面是它的工作原理：对缓存的读访问获取地址的中间部分，称为索引，并将其用作行号。同时查找数据和标记。 接下来，需要将标记与地址的上半部分进行比较，以确定该行是否来自内存中的相同地址范围，并且是否有效。同时，地址的下半部分可用于从缓存线选择请求的数据（我假设缓存线可以保存几个字的数据）

我强调了数据访问和标记访问+比较是同时发生的，因为这是减少延迟的关键（缓存的目的）。数据路径ram访问不需要两个步骤

优点是读取基本上是一个简单的表查找和比较

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但它是直接映射的，这意味着对于每个读取地址，缓存中只有一个位置可以缓存这些数据。所以缺点是很多其他地址会被映射到同一个地方，可能会竞争这个缓存线。

我在图书馆找到了一本好书，它为我提供了我需要的清晰解释，现在我将在这里分享，以防其他学生在搜索缓存时偶然发现这个线程

这本书是亨尼西和帕特森的《计算机体系结构——定量方法》第三版，第390页

首先，请记住，主内存被划分为用于缓存的块。 如果我们有一个64字节的缓存和1GB的RAM，RAM将被分成128KB的块（1GB的RAM/64B的缓存=128KB的块大小）

书中：

块可以放在缓存中的什么位置？

• 如果每个块只有一个可以出现在缓存中的位置，则称缓存为直接映射。使用以下公式计算目标块：

  MOD

假设我们有32块RAM和8块缓存

如果我们想将块12从RAM存储到缓存中，RAM块12将存储到缓存块4中。为什么？因为12/8=1，剩余4。其余部分是目标块

• 如果块可以放置在缓存中的任何位置，则称缓存为完全关联

• 如果块可以放置在缓存中受限位置集中的任何位置，则缓存将设置为关联

基本上，集合是缓存中的一组块。块首先映射到集合上，然后可以将块放置在集合内的任何位置

公式为：

MOD

因此，假设我们有32个RAM块和一个分为4组的缓存（每组有两个块，即总共8个块）。这样，集合0将具有块0和块1，集合1将具有块2和块3，依此类推

如果我们想将RAM块12存储到缓存中，则RAM块将存储在缓存块0或1中。为什么？因为12/4=3，余数为0。因此，选择集合0，块可以放置在集合0内的任何位置（表示块0和块1）

现在我将回到我最初的地址问题

如果块在缓存中，如何找到它？

缓存中的每个块帧都有一个地址。为了清楚起见，一个块既有地址也有数据

块地址分为多个部分：标记、索引和偏移

标记用于查找缓存中的块，索引仅显示块所在的集合（使其非常冗余），偏移量用于选择数据

通过“选择数据”，我的意思是，在缓存块中，显然会有多个内存位置，偏移量用于在它们之间进行选择

因此，如果您想想象一个表，这些列将是：

TAG | INDEX | OFFSET | DATA 1 | DATA 2 | ... | DATA N

标记将用于查找块，索引将显示块所在的集合，偏移量将选择其右侧的一个字段

我希望我对这一点的理解是正确的，如果不是，请让我