缓存路与缓存组之间的区别

Question

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我正在尝试学习有关缓存的一些知识。假设我有一个4路32KB高速缓存和1GB内存。每个高速缓存行的大小为32字节。因此，我了解到RAM将被分成256个4096KB页面，每个页面映射到一个高速缓存集，其中包含4个高速缓存行。

我有多少个高速缓存路？我甚至不确定什么是高速缓存路。可以有人解释一下吗？我已经做了一些搜索，最好的例子是：

但我仍然感到困惑。

谢谢。

- user1876942

3个回答

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在帕特森和亨尼西的《计算机组成与设计：硬件/软件接口》一书中，讲到了缓存。例如，在这个版本中的第408页展示了以下图片（我添加了蓝色、红色和绿色线条）：

显然，作者在描述组相联高速缓存时只使用“块”（而不是“行”）一词。在直接映射缓存中，“索引”部分的地址寻址行。而在组相联缓存中，则寻址集合。

这种可视化方法应该能很好地配合@Soumen在被采纳的答案中的解释。

然而，该书主要描述精简指令集架构（RISC）。我个人知道MIPS和RISC-V版本。因此，如果你面前有x86，请将这张图片视为概念可视化，而不是实际实现。

- foki

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如果我们将内存分成缓存行大小的块（即32B内存块），则每个块称为一个块。现在，当您尝试访问某个内存地址时，包含该地址的整个内存块（大小为32B）将被放置到缓存行中。

现在，每个集合都不负责4096KB或一个特定的内存页。来自不同内存页面的多个内存块可以映射到同一缓存集合中。

- Soumen

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可以查看英文原文，
原文链接

- Soumen · Accepted Answer

您所提到的缓存被称为组相联缓存。整个缓存被分成几组，每组包含4个缓存行（因此是4路缓存）。因此，关系如下所示：

缓存大小 = 缓存中集合的数量 * 每个集合中的缓存行数 * 缓存行大小

您的缓存大小为32KB，是4路缓存，缓存行大小为32B。因此，集合的数量为 (32KB / (4 * 32B)) = 256

如果我们将主存视为由缓存行组成，则每个大小为一个缓存行的内存区域称为块。因此，主存的每个块都将映射到一个缓存行（但不总是映射到特定的缓存行，因为它是组相联缓存）。

在组相联缓存中，每个内存块都将映射到缓存中的一个固定集合。但它可以存储在该集合的任何一个缓存行中。在您的示例中，每个内存块可以存储在一个集合的4个缓存行中的任何一个中。

内存块到缓存行的映射

主内存中的块数 = (1GB / 32B) = 2^25

每个页面中的块数 = (4KB / 32B) = 128

系统中每个字节地址可以分为3个部分：

表示1GB内存所需的位数= 30（1GB = (2^30)B）

表示缓存行偏移量所需的位数= 5（32B = (2^5)B）

表示256个缓存集所需的位数= 8（2^8 = 256）

那么我们就有 (30 - 5 - 8) = 17 位用于标签。由于不同的内存块可以映射到同一缓存行中，因此这个标签值有助于区分它们。

当处理器生成一个地址时，使用30位地址中间的8位来选择缓存集，这个集合中将有4个缓存行。因此，所有四个已驻留缓存行的标记都会与生成的地址的标记进行匹配。

示例

如果一个30位地址为00000000000000000-00000100-00010（以'-'分隔以便阅读），则：