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🧩 映射方式問題回顧

🏗? 組相聯映射?

?工作流程?

?地址結構

?? 替換策略

示例：?

優點?

?? 與其他映射方式對比

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🧩 映射方式問題回顧

直接映射的問題：

• 優點：實現簡單，查找速度快（單一比較器）

• 缺點：

  • 沖突未命中（Conflict Miss）嚴重：即使緩存沒滿，某些塊也只能映射到唯一行，造成不必要的替換

例子：如果地址 A 和地址 B 都映射到第 3 行，則每次訪問都會把對方替換掉，即使緩存中還有空位。

全相聯映射的問題：

• 優點：消除了沖突未命中（Conflict Miss 幾乎為 0）

• 缺點：

  • 查找成本高：需要并行比較所有緩存行的 Tag → 成本高、功耗大、速度慢

  • 不易擴展到大容量 Cache

🏗? 組相聯映射?

組相聯映射?是一種折中策略，它將 Cache 分為多個 集合（sets），每個集合中包含 多條 Cache 行。

每個主存塊根據其地址映射到 唯一一個集合，但在這個集合中，它可以存儲在 任意一行中。

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?工作流程?

• 地址分解：將地址拆分為 Tag, Set Index, Block Offset

• 定位集合：使用 Set Index 定位到 Cache 中的一個集合

• 并行比較：在這個集合中并行比較所有行的 Tag 字段

• 命中判斷：

  • 如果某一行的 Tag 匹配且 Valid Bit = 1，則 Hit

  • 否則 Miss，需要替換策略

?地址結構

設：

• 主存地址長度 = 32 bits

• Cache 有 2? 個集合，每個集合有 k 行（稱為 k-way set-associative）

那么地址被分為以下幾部分：

部分	中文	功能
Tag	標記位	用于與 Cache 中存儲的 tag 比較
Set Index	集合索引	確定該塊應映射到哪個集合
Block Offset	塊內偏移	定位塊內數據位置

如果 Cache 是 4-way set-associative，共有 256 sets，則需要：

• log?(256) = 8 位用于 Set Index

• Block Size = 64 Bytes → Block Offset = 6 位

• 剩余 32 - 6 - 8 = 18 位為 Tag

?? 替換策略

當一個 Set 中所有 Cache Line 都被占滿，需要替換一個塊，策略包括：

策略	中文	特點
LRU (Least Recently Used)	最近最少使用	最常用，也最能提高命中率
Random	隨機替換	簡單但命中率較低
FIFO (First-In First-Out)	先進先出	實現簡單，性能一般

每個集合內部相當于是一個 小型的全相聯 Cache。

示例：?

訪問示例（以地址 77 為例）

1. 地址 77 → 二進制：1001101

   • Block offset: 01（第2個字節）

   • Set index: 11 → Set 3

   • Tag: 100

2. Cache 會在 Set 3 的兩個 line 中，查找是否有 tag = 100 的塊。

   • 若某一行中 tag 匹配 → 命中（Hit）

   • 否則 → 未命中（Miss），觸發替換策略（如 LRU）

?映射過程：

優點?

優點	說明
? 更低的沖突失效（Conflict Miss）	比 Direct-Mapped Cache 更靈活，一個 Set 內多個行減少映射沖突
? 接近 Fully Associative 的命中率	特別是當 k 比較大時
? 查找效率適中	只需比較一個 Set 中的多個行，而不是所有行（比 Fully Associative 更快）
? 適配性強	可調節“k-way”來平衡速度和命中率

?? 與其他映射方式對比

特性	Direct Mapping	Fully Associative	Set-Associative
映射方式	每塊 → 1 行	每塊 → 任意行	每塊 → 1 個集合中的任意行
沖突未命中	高	極低	低
硬件復雜度	最低	最高	中等
查找時間	最快	最慢	中等
替換策略	無需	需要	每個集合內部需要

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