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🧩 映射方式问题回顾
直接映射的问题：
优点：实现简单，查找速度快（单一比较器）
缺点：
冲突未命中（Conflict Miss）严重：即使缓存没满，某些块也只能映射到唯一行，造成不必要的替换
例子：如果地址 A 和地址 B 都映射到第 3 行，则每次访问都会把对方替换掉，即使缓存中还有空位。
全相联映射的问题：
优点：消除了冲突未命中（Conflict Miss 几乎为 0）
缺点：
查找成本高：需要并行比较所有缓存行的 Tag → 成本高、功耗大、速度慢
不易扩展到大容量 Cache
🏗️ 组相联映射
组相联映射 是一种折中策略，它将 Cache 分为多个 集合（sets），每个集合中包含 多条 Cache 行。
每个主存块根据其地址映射到 唯一一个集合，但在这个集合中，它可以存储在 任意一行中。
工作流程
地址分解：将地址拆分为 Tag, Set Index, Block Offset
定位集合：使用 Set Index 定位到 Cache 中的一个集合
并行比较：在这个集合中并行比较所有行的 Tag 字段
命中判断：
如果某一行的 Tag 匹配且 Valid Bit = 1，则 Hit
否则 Miss，需要替换策略
地址结构
设：
主存地址长度 = 32 bits
Cache 有 2ⁿ 个集合，每个集合有
k行（称为 k-way set-associative）
那么地址被分为以下几部分：
| 部分 | 中文 | 功能 |
|---|---|---|
| Tag | 标记位 | 用于与 Cache 中存储的 tag 比较 |
| Set Index | 集合索引 | 确定该块应映射到哪个集合 |
| Block Offset | 块内偏移 | 定位块内数据位置 |
如果 Cache 是 4-way set-associative，共有 256 sets，则需要：
log₂(256) = 8 位用于 Set Index
Block Size = 64 Bytes → Block Offset = 6 位
剩余 32 - 6 - 8 = 18 位为 Tag
♻️ 替换策略
当一个 Set 中所有 Cache Line 都被占满，需要替换一个块，策略包括：
| 策略 | 中文 | 特点 |
|---|---|---|
| LRU (Least Recently Used) | 最近最少使用 | 最常用，也最能提高命中率 |
| Random | 随机替换 | 简单但命中率较低 |
| FIFO (First-In First-Out) | 先进先出 | 实现简单，性能一般 |
每个集合内部相当于是一个 小型的全相联 Cache。
示例：
访问示例（以地址 77 为例）
地址 77 → 二进制：
1001101Block offset:
01（第2个字节）Set index:
11→ Set 3Tag:
100
Cache 会在 Set 3 的两个 line 中，查找是否有 tag = 100 的块。
若某一行中 tag 匹配 → 命中（Hit）
否则 → 未命中（Miss），触发替换策略（如 LRU）
映射过程：
优点
| 优点 | 说明 |
|---|---|
| ⭐ 更低的冲突失效（Conflict Miss） | 比 Direct-Mapped Cache 更灵活，一个 Set 内多个行减少映射冲突 |
| ⭐ 接近 Fully Associative 的命中率 | 特别是当 k 比较大时 |
| ⭐ 查找效率适中 | 只需比较一个 Set 中的多个行，而不是所有行（比 Fully Associative 更快） |
| ⭐ 适配性强 | 可调节“k-way”来平衡速度和命中率 |
⚖️ 与其他映射方式对比
| 特性 | Direct Mapping | Fully Associative | Set-Associative |
|---|---|---|---|
| 映射方式 | 每块 → 1 行 | 每块 → 任意行 | 每块 → 1 个集合中的任意行 |
| 冲突未命中 | 高 | 极低 | 低 |
| 硬件复杂度 | 最低 | 最高 | 中等 |
| 查找时间 | 最快 | 最慢 | 中等 |
| 替换策略 | 无需 | 需要 | 每个集合内部需要 |