10.4 存储器地图与缓存基础

第 10.3 节用分体和芯片组构建了存储硬件。软件需要更简单的视图：每个地址都应该标识一个预期目标。存储器地图（memory map）记录每个器件占用的闭区间地址范围。

构建完整且互不重叠的存储器地图

8086 使用 20 位物理地址，因此地址空间从 00000H 延伸到 FFFFFH。设计者把这片空间划分为已分配、保留和尚未分配的区域。对每个已分配区域：

必须加 1，因为两个端点都属于该区域。一种合理的地图可以把 256 KiB RAM 放在 00000H–3FFFFH，把 40000H–5FFFFH 保留给扩展设备，让 60000H–EFFFFH 暂不分配，并把 64 KiB ROM 放在 F0000H–FFFFFH。8086 复位后从物理地址 FFFF0H 开始取指，因此该地址必须指向顶部 ROM 中的启动代码。

两个已分配范围不能重叠，否则读操作可能让多个器件同时驱动总线，写操作也可能同时修改多个器件。空洞（hole）则不同：其中没有器件响应。空洞可以是有意保留的，但软件不能误把它当作存储器。

因此，检查存储器地图时要核对闭区间容量、译码器所要求的二的整数次幂对齐、重叠、空洞，以及复位位置等特殊体系结构地址。

缓存用容量换取速度

最初的 8086 有一个六字节指令预取队列，但它没有片上缓存。本节引入缓存术语，作为学习后续处理器的基础。

缓存（cache）是小而快的存储器，保存从更大、更慢存储器中复制出的近期数据块。它利用两类局部性：

• 时间局部性（temporal locality）：刚刚访问过的数据很可能再次被访问。

• 空间局部性（spatial locality）：靠近最近地址的数据很可能很快被访问。

在简单的直接映射缓存（direct-mapped cache）中，每个主存块只能放入一个确定的缓存行。若块大小和缓存行数都是二的整数次幂：

索引用来选择一条缓存行。当该行有效且保存的标记（tag）匹配时，访问命中（hit）；否则访问未命中（miss），所需块会替换该行。首次访问从未装入的块会发生强制未命中。若多个活跃块映射到同一索引，它们可能反复驱逐彼此，产生冲突未命中。

第 10 章从存储单元技术出发，依次学习了芯片选择、分体构建、完整系统映射和缓存基本思想。现在，你已经能够沿着一个 CPU 地址追踪到最终响应它的具体存储结构。