Set Associativity 和 Way 的概念
1. Set Associativity（组相联）
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定义:
Set Associativity 是缓存的一种组织方式，用于决定一个特定的内存地址可以映射到缓存的哪个位置。缓存被分为多个 set（组），每个 set 中包含若干条缓存行（lines）。- 如果一个缓存行可以映射到多个位置，则称为 组相联缓存。
- 每个组包含若干条缓存行的个数，称为 way。
2. Way（路数）
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定义:
Way 指的是一个组中包含的缓存行数。例如：- 2-way set associative: 每个组中有 2 条缓存行。
- 4-way set associative: 每个组中有 4 条缓存行。
- Direct-mapped cache: 这是 1-way set associative（每组只有 1 条缓存行）。
- Fully associative cache: 这是特殊情况，缓存中只有 1 组，所有缓存行都属于同一组。
缓存类型的对比
| 类型 | Set 数量 | Way 数量 | 特点 |
|---|---|---|---|
| Direct Mapped | 多（每个内存地址唯一映射到一个组） | 每组 1 条缓存行（1-way） | 简单快速，但容易发生冲突缺失（conflict miss）。 |
| Set Associative | 多 | 每组有多条缓存行（n-way） | 冲突缺失减少，速度和硬件复杂性在 Direct-Mapped 和 Fully Associative 之间。 |
| Fully Associative | 1（只有一个组） | 所有缓存行（n = 全部） | 没有冲突缺失，但硬件复杂性高，访问速度较慢（需检查所有缓存行）。 |
Set Associativity 和 Way 的关系
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Set 数量计算:
Set 数量 = Cache 容量 / (Way 数量 × 缓存行大小)-
例子:
一个 2-way set associative 缓存，大小为 16KB，缓存行大小为 64B：- 缓存总行数 = 16KB / 64B = 256 行
- 每组 2 行（2-way），因此组数量 = 256 / 2 = 128 组。
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Way 表示灵活性:
- Way 的数量越多，表示每组中可以容纳更多的缓存行，冲突缺失减少，但硬件成本和复杂性会增加。
实际例子
Direct Mapped Cache (1-Way)
- 特点: 每个内存地址被直接映射到某个固定的组（set）。
- 问题: 如果多个地址映射到同一组，就会频繁替换，导致冲突缺失。
2-Way Set Associative Cache
- 特点: 每个组包含 2 条缓存行（way）。如果一个地址映射到某组，它可以存储在该组的任意 2 条缓存行中。
- 优势: 减少了冲突缺失，但需要硬件支持两路并行比较（比较两个 tag）。
Fully Associative Cache
- 特点: 所有内存地址可以存储在缓存中的任何位置，没有组的概念。
- 问题: 查找缓存行需要比较所有的标签，硬件复杂性高。
总结
- Set Associativity 是缓存的组织方式，决定了内存地址在缓存中的映射范围。
- Way 表示一个组中缓存行的数量。
- Direct Mapped 是 1-way 的特例，而 Fully Associative 是所有行属于同一组的特例。