6.4.1 通用的高速缓存存储器组织结构

考虑一个计算机系统，其中每个存储器地址有 m 位，形成 M=2^m 个不同的地址。如图 6-25a 所示，这样一个机器的高速缓存被组织成一个有 S=2^s 个高速缓存组（cache set）的数组。每个组包含 E 个高速缓存行（cache line）。每个行是由一个 B=2^b 字节的数据块（block）组成的，一个有效位（valid bit）指明这个行是否包含有意义的信息，还有 t=m-(b+s) 个标记位（tag bit）（是当前块的内存地址的位的一个子集），它们唯一地标识存储在这个高速缓存行中的块。

图 6-25 高速缓存（S、E、B、m）的通用组织

图 6-25 高速缓存（S、E、B、m）的通用组织。a）高速缓存是一个高速缓存组的数组。每个组包含一个或多个行，每个行包含一个有效位、一些标记位，以及一个数据块；b）高速缓存的结构将 m 个地址位划分成了 t 个标记位、s 个组索引位和 b 个块偏移位

一般而言，高速缓存的结构可以用元组 (S, E, B, m) 来描述。高速缓存的大小（或容量）C 指的是所有块的大小的和。标记位和有效位不包括在内。因此，C=S×E×B。

当一条加载指令指示 CPU 从主存地址 A 中读一个字时，它将地址 A 发送到高速缓存。如果高速缓存正保存着地址 A 处那个字的副本，它就立即将那个字发回给 CPU。那么高速缓存如何知道它是否包含地址 A 处那个字的副本的呢？高速缓存的结构使得它能通过简单地检查地址位，找到所请求的字，类似于使用极其简单的哈希函数的哈希表。下面介绍它是如何工作的：

参数 S 和 B 将 m 个地址位分为了三个字段，如图 6-25b 所示。A 中 s 个组索引位是一个到 S 个组的数组的索引。第一个组是组 0，第二个组是组 1，依此类推。组索引位被解释为一个无符号整数，它告诉我们这个字必须存储在哪个组中。一旦我们知道了这个字必须放在哪个组中，A 中的 t 个标记位就告诉我们这个组中的哪一行包含这个字（如果有的话）。当且仅当设置了有效位并且该行的标记位与地址 A 中的标记位相匹配时，组中的这一行才包含这个字。一旦我们在由组索引标识的组中定位了由标号所标识的行，那么 b 个块偏移位给出了在 B 个字节的数据块中的字偏移。

你可能已经注意到了，对高速缓存的描述使用了很多符号。图 6-26 对这些符号做了个小结，供你参考。

基本参数	描述
S=2^s	组数
E	每个组的行数
B=2^b	块大小（字节）
m=log₂(M)	（主存）物理地址位数

衍生出来的量	描述
M=2^m	内存地址的最大数量
s=log₂(S)	组索引位数量
b=log₂(B)	块偏移位数量
t=m-(s+b)	标记位数量
C=B×E×S	不包括像有效位和标记位这样开销的高速缓存大小（字节）

图 6-26 高速缓存参数小结

练习题 6.9

下表给出了几个不同的高速缓存的参数。确定每个高速缓存的高速缓存组数（S）、标记位数（t）、组索引位数（s）以及块偏移位数（b）。

高速缓存 m C B E S t s b

1. 32 1024 4 1

2. 32 1024 8 4

3. 32 1024 32 32