【408精华知识】Cache类题目解题套路大揭秘

在这里插入图片描述

有关Cache的题目，需要理解Cache的工作原理，也即给出一个地址，要知道如何在Cache中寻找或者如何将其从主存中复制入Cache，同时理解Cache中具体是如何存储的，包含三种存储方式，分别是直接映射、全相联映射、组相联映射。下面我们就此进行探讨。

先看这张图，详细展示了Cache的工作原理：
在这里插入图片描述
接下来我们顺着思路来捋一捋。

CPU给出一个地址（不考虑虚实地址的转换），我们要根据这个地址在主存中找到数据，我们要直接根据这个地址在主存中找吗？当然不是，那要Cache何用，Cache的作用就是缓解CPU与主存之间的速度差异，因为CPU很快，访问主存很慢。

那么我们就先拿着这个地址去Cache中找一找，这个地址可以分为两部分——块号和块内地址（实际物理内存），关于块号页号等知识，请看我另一篇文章：【408精华知识】页、页面、页框、页帧、内存块、物理块、物理页面还傻傻分不清？，块内地址则是用于在一个块内给数据定位，毕竟一个块很大，我们要找的数据仅仅是一小部分，所以要有一个块内的具体定位。

这个块号还可以根据Cache映射方式再次进行划分，其中直接映射可以划分为标记位和块号，全相联映射的块号直接转为标记位，组相联映射可以划分为标记位和组号，为什么这样划分呢？我们知道，直接映射的块号是用原地址的块号除以总块数得到的余数，因此直接映射的块号是可以被“隐含”的，不需要再在标记位中“明示”的，组相联也是一样，其组号是是用原地址的块号除以总组数得到的余数，也是可以被“隐含”的，不需要再在标记位中“明示”的，但是全相联不一样了，全相联是用原地址中的块号去跟Cache中的块一个一个比对标记位，没有可以被“隐含”的部分。

得到标记位后，我们就可以去Cache中进行比对啦！

这里要说下Cache的存储结构，Cache中的一块包含以下几个部分：

有效位：占1位，表示一个块是否在Cache中。比如当电脑开机时，Cache一定是空的，因此有效位是0；
标记位：英文为Tag，来源于直接映射、全相联映射、组相联映射剔除被隐含的块号或组号的部分，是一个块的“名字”；
脏位：也称一致性维护位、修改位等，用于表明这个块有没有被修改过，取决于Cache写命中时的处理策略，如果是全写法（当 CPU 对 Cache 写命中时，必须把数据同时写入 Cache 和主存。当某一块需要替换时，不必把这一块写回主存，用新调入的块直接覆盖即可），脏位为0位，如果是写回法（当 CPU 对 Cache 写命中时，只需改 Cache 的内容，而不立即写入主存，只有当此块被换出时才写回主存），每个 Cache 行必须设置一个1位的脏位，以反映此块是否被 CPU 修改过。
替换控制位：采用直接映射为0位，在采用全相联映射和组相联映射方式时，从主存向 Cache 传送一个新块，当 Cache 中的空间被占满时，就需要使用替换算法置换 Cache行，其中随机替换算法的替换控制位为0位，LRU的替换控制位为 log2路数位。
数据：就是在主存中取到的一块中的数据；