机器字长为8的话，按字节编程

Question

1. 某系统cache的容量为 214块，每块是一个32位字，主存容量是cache容量的128倍。画出全相联、直接映射、组相联映射方式下该系统中主存地址划分情况，标注每个字段位数。

Answer 1

引自免费微信小程序：皆我百晓生

要解决这个问题，我们首先需要了解一个基本的概念：字（Word）。在计算机科学中，一个字通常指的是具有固定长度的数据单元，比如32位字（字长为32位）或64位字（字长为64位）。在这个场景中，主存（Memory）的容量被定义为214块，每块都是32位字，因此主存的实际大小约为(214 \times 32)字。

接下来，我们需要考虑如何将这个系统划分为多个部分，以便实现字节（Byte）级别的操作。这里我们可以选择全相联（Uniform-Access），直接映射（Direct-Mapping），以及组相联映射（Grouped-Access）这三种方式。

全相联

在这种模式下，每个存储单元都被标记为唯一的，这意味着当我们在主存读写时，可以访问任何位置而不区分哪个字节。为了表示这些信息，我们将使用两个标志位（bit1 和 bit2），分别用于标识字的高、低部分。

#define WORD_SIZE 32 // 假设每个字是32位

// 定义标志位
#define BIT1 (0x01) // 用来标识字的高部分
#define BIT2 (0x02) // 用来标识字的低部分

int main() {
    int addr = 0; // 主存地址
    int bit1, bit2;
    
    // 检查主存地址是否合法
    if ((addr & 0xFFF0) == 0 && (addr & 0xF000) != 0) { // 高位有效，低位不为0
    
        // 根据字的高低部分获取字节偏移量
        int byte_offset = addr >> 12;

        // 计算字节偏移量对应的字的高/低部分
        bit1 = (addr >> 24) & BIT1;
        bit2 = (addr >> 25) & BIT2;

        // 输出结果
        printf("字节偏移量: %d\n", byte_offset);
        printf("字的高部分: %d\n", bit1);
        printf("字的低部分: %d\n", bit2);

        return 0;
    }
    
    // 如果地址无效，则输出错误信息
    printf("地址无效!\n");
    return -1;
}

直接映射

在这里，所有的存储单元都与内存中的某个特定地址相关联。通过这种方式，主存地址的每一位都可以指向不同的存储单元。由于每个存储单元对应于唯一的一个主存地址，所以不需要额外的标志位来指示字的高低部分。

#include <stdio.h>

int main() {
    int addr = 0; // 主存地址

    if ((addr & 0xFF) == 0) { // 主存地址的有效性检查

        // 输出结果
        printf("字的高部分: %d\n", addr >> 7); // 取最低4位
        printf("字的低部分: %d\n", addr >> 8); // 取最高4位

        return 0;
    }

    // 如果地址无效，则输出错误信息
    printf("地址无效!\n");
    return -1;
}

组相联

在这种模式下，存储单元根据其所在的组进行映射，而不是单独的字。这意味着，尽管字的高低部分仍然可以通过单个标志位来识别，但存储单元的位置不再与主存地址完全对应。这使得查找和修改操作更加复杂。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void main() {
    int addr = 0; // 主存地址
    int group = 0; // 存储单元所属的组号

    if ((addr & 0x1F) == 0) { // 主存地址的有效性检查

        // 输出结果
        printf("字的高部分: %d\n", (addr >> 4) & 0x0F); // 取最低4位
        printf("字的低部分: %d\n", (addr >> 5) & 0x0F); // 取最高4位

        printf("存储单元所在组号: %d\n", group);

        return 0;
    }

    // 如果地址无效，则输出错误信息
    printf("地址无效!\n");
    return -1;
}

结论

以上就是按照不同存储器映射策略对主存地址进行划分的方法。注意，在实际应用中，可能会涉及更多的细节，例如可能需要处理多级缓存和其他复杂的数据结构。希望这个简化的例子能帮助您理解字节级别编程的基本概念。