C++编程实现主存-Cache地址映射

主存和Cache之间的地址映射是一个很重要的问题，需要考虑到Cache的大小、块大小、替换策略等因素。下面是一个简单的C++程序，用来模拟主存和Cache之间的地址映射。

假设主存大小为256KB，Cache大小为64KB，块大小为16B，采用直接映射方式实现地址映射。因此，主存中的一个地址可以被映射到Cache中的唯一一个位置，而Cache中的一个地址可以被映射到主存中的16个位置之一。

#include <iostream>
#include <cstring>

using namespace std;

#define MEM_SIZE 256 * 1024 // 主存大小为256KB
#define CACHE_SIZE 64 * 1024 // Cache大小为64KB
#define BLOCK_SIZE 16 // 块大小为16B

int mem[MEM_SIZE]; // 主存
int cache[CACHE_SIZE / BLOCK_SIZE][BLOCK_SIZE]; // Cache

// 主存地址到Cache地址的映射函数
int mem2cache(int mem_addr)
{
    int index = (mem_addr / BLOCK_SIZE) % (CACHE_SIZE / BLOCK_SIZE);
    return index;
}

// Cache地址到主存地址的映射函数
int cache2mem(int cache_addr)
{
    int block_addr = cache_addr * BLOCK_SIZE;
    int mem_addr = block_addr + (cache_addr / (CACHE_SIZE / BLOCK_SIZE)) * (CACHE_SIZE);
    return mem_addr;
}

// 读取主存中的数据
int read_mem(int mem_addr)
{
    int cache_addr = mem2cache(mem_addr);
    int tag = mem_addr / (CACHE_SIZE / BLOCK_SIZE);
    if (cache[cache_addr][0] == tag) // 命中
    {
        cout << "Cache hit: " << cache_addr << endl;
        int offset = mem_addr % BLOCK_SIZE;
        return cache[cache_addr][offset];
    }
    else // 不命中
    {
        cout << "Cache miss: " << cache_addr << endl;
        int block_addr = cache_addr * BLOCK_SIZE;
        memcpy(cache[cache_addr], &mem[block_addr], BLOCK_SIZE * sizeof(int)); // 从主存中读取整个块
        cache[cache_addr][0] = tag; // 更新tag
        int offset = mem_addr % BLOCK_SIZE;
        return cache[cache_addr][offset];
    }
}

// 写入主存中的数据
void write_mem(int mem_addr, int data)
{
    int cache_addr = mem2cache(mem_addr);
    int tag = mem_addr / (CACHE_SIZE / BLOCK_SIZE);
    if (cache[cache_addr][0] == tag) // 命中
    {
        cout << "Cache hit: " << cache_addr << endl;
        int offset = mem_addr % BLOCK_SIZE;
        cache[cache_addr][offset] = data;
    }
    else // 不命中
    {
        cout << "Cache miss: " << cache_addr << endl;
        int block_addr = cache_addr * BLOCK_SIZE;
        memcpy(&mem[block_addr], cache[cache_addr], BLOCK_SIZE * sizeof(int)); // 写入整个块到主存
        cache[cache_addr][0] = tag; // 更新tag
        int offset = mem_addr % BLOCK_SIZE;
        cache[cache_addr][offset] = data;
    }
}

int main()
{
    // 初始化主存和Cache
    for (int i = 0; i < MEM_SIZE; i++)
    {
        mem[i] = i;
    }
    memset(cache, 0, sizeof(cache));

    // 读取和写入数据
    cout << read_mem(0) << endl;
    cout << read_mem(16) << endl;
    write_mem(0, 100);
    cout << read_mem(0) << endl;
    cout << read_mem(16) << endl;

    return 0;
}

上述程序模拟了主存和Cache之间的地址映射，包括了Cache的读取和写入操作。在读取数据时，先根据主存地址计算出对应的Cache地址和tag值，然后判断是否命中Cache。如果命中，则直接从Cache中读取数据；如果不命中，则从主存中读取整个块，并将其存储到Cache中，并更新tag值。在写入数据时，同样需要先计算出对应的Cache地址和tag值，然后判断是否命中Cache。如果命中，则直接在Cache中写入数据；如果不命中，则先将整个块从Cache中写入到主存中，然后再将数据写入到Cache中，并更新tag值。

需要注意的是，上述程序中只实现了最简单的直接映射方式，实际上Cache的地址映射还有很多其他的方式，例如全相联映射、组相联映射等，每种方式都有其优缺点，需要根据具体应用场景选择合适的方式。