直接映象Cache控制器设计实验解析

"计算机组成原理实验说明书_Cache控制器设计实验_西安唐都.pdf" 在计算机系统中，Cache是一种高速数据存储部件，它用于暂时保存最近频繁访问的内存数据，以提高处理器访问数据的速度。本实验围绕Cache控制器设计，重点探讨直接映象地址变换方式。直接映象是一种简单的Cache组织方式，其基本思想是将主存中的每个块映射到Cache中固定的位置。 直接映象地址变换的过程如下：假设主存被划分为若干个大小与Cache块大小一致的区域（区），每个区包含若干个块。Cache的每个块只可能存储来自主存中某个特定区的块。映射规则由公式b=B mod Cb确定，其中b是Cache中的块号，B是主存的块号，Cb是Cache的块容量。例如，如果Cache有4个块，那么主存的前4个块分别映射到Cache的块0、1、2和3。 在实际操作中，主存地址由三部分组成：区号E、块号B和块内地址W。Cache地址则包含块号b和块内地址w。由于直接映象方式下，主存的块号与Cache的块号相同，所以地址变换过程中，块号无需改变。块内地址也保持不变，这意味着主存和Cache的地址结构有相同的部分。 实验中，为了实现地址变换，需要用到一个区号存储器，它的容量与Cache块数相同，存储的是主存的区号以及对应的有效位。当处理器需要访问主存数据时，先用主存地址的块号查询区号存储器。如果查询结果的区号与主存地址的区号匹配，并且有效位为1，表示该数据已存在于Cache中，即发生了Cache命中。此时，可以直接使用Cache地址访问Cache获取数据。如果区号不匹配或有效位为0，则发生Cache未命中，需要从主存加载数据到Cache，并更新区号存储器。 Cache的命中率是衡量其性能的重要指标，直接映象方式虽然简单，但因为块冲突概率较高，可能导致较低的命中率。不过，它的硬件实现相对简单，访问速度快。在实验中，理解并优化Cache控制器的设计，对于提高系统的整体性能至关重要。通过模拟和分析不同条件下的Cache行为，可以深入理解Cache的工作机制，并为更复杂Cache组织方式的学习打下基础。