理解Cache：高速缓冲存储器的工作原理与影响

"全相联映射Cache组织示意图展示了Cache和主存之间的映射关系。Cache大小为8K字，分为16行，每行512字。主存大小为1024K字，由2048个主存块组成，每个块同样为512字。访问过程基于20位主存地址，高11位用于与Cache标记进行比较，低9位用于定位具体字。全相联映射允许主存块映射到Cache的任意一行，地址中没有Cache索引字段，访问时通过内容比较完成。" 在计算机系统基础第六章中，我们重点讨论了层次结构存储系统，特别是高速缓冲存储器（Cache）。Cache的存在是为了缓解CPU和主存之间速度差异带来的问题，它利用程序运行的局部性原理，将最近频繁使用的数据存储在快速访问的Cache中，以提高整体系统性能。 全相联映射（Full-Associative Mapping）是一种Cache的组织方式，其中主存中的任何一块都可以映射到Cache的任何一行。这种映射方式意味着地址的标记部分需要与Cache中的所有标记进行比较，以确定数据是否存在于Cache中。当CPU给出20位主存地址时，高11位作为标记信息，用于与Cache中的标记字段进行内容比较，而低9位则作为字号，用于在找到匹配标记的Cache行后定位具体的数据字。 访问Cache的过程如下：首先，CPU提供的20位地址的高11位被用来与Cache中的所有行的标记字段进行逐个比较。如果找到匹配的标记，说明要访问的数据在Cache中，接着使用剩下的9位字号找到对应字，将数据读取到CPU。如果所有比较都不匹配，说明数据不在Cache中，需要从主存中读取，这会导致更长的访问时间。 Cache的大小为2^13字，即8K字，分为16行，每行512字，这意味着Cache总共有16个存储块，每个块可以存储512字节的数据。主存的大小为2^20字，即1024K字，由2048个主存块组成，每个块也是512字节。由于全相联映射允许任意映射，地址中没有专门的Cache索引字段，因此访问时直接通过内容比较来确定数据所在的位置。 了解这些知识对于理解CPU执行指令时的访存过程至关重要，因为访存操作的速度直接影响到程序的执行效率。此外，Cache的工作原理和性能优化，以及虚拟存储器的概念和地址转换，都是提升系统性能的关键要素。在IA-32/Linux系统中，逻辑地址到线性地址再到物理地址的转换过程，以及硬件和操作系统的协同工作，都是层次结构存储系统中的重要组成部分。