相联存储器的工作原理（按内容访存，cache、快表中应用）

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#计算机组成原理 #相联存储器 #内容寻址 #cache #快表

本文解释了按内容访存的概念及其实现原理，通过硬件实现并行比较，提高查找效率。介绍了cache和快表作为相联存储器的应用，并详细解析了其工作流程。

以前一直看不太懂什么叫按内容访存，为什么按内容访存会更快，后来去看了下相关视频，明白了其中的原理。它是直接用硬件实现，因此可以并行比较，达到很高的速度

cache、快表就是一种相联存储器，运用他们可以达到更高的查找效率

结合下方图像，原理/过程如下：

①我们要找寻的信息（即要找的主存地址）放置在检索寄存器中， 通过屏蔽寄存器得到key

    屏蔽寄存器原理：如图片右上方，假如我们要比较的只是画三角形的3bit，则屏蔽寄存器中将该3位设为1，其余为0，这样通过屏蔽寄存器后就只会得到我们所需要的3位，作为我们的key。

    图中，由01010010，知第1、3、6位是我们标记的位。则原数据11001110通过后只取该三位，得到key=101

②读选择电路的m代表了cache行，如图中即有m行cache，将m行与key在多路并发比较线路中比较，比较结果存储在符合寄存器中。

    符合寄存器内容：如果key值完全相同，则相应位为1。

③符合寄存器中为1的单元位置传入读选择电路=选中匹配成功的存储单元/一行

④将选中存储单元的data信息传入到代码寄存器，得到我们要的内容

（图片来源b站视频https://www.bilibili.com/video/BV14i4y187cK?from=search&seid=13416260846090671928）

1.2.1存储结构：层次化存储结构、外存（辅存）、内存（主存）、CPU内部的寄存器、Cache（相联存储器）
郝开的博客
01-30 2946
这个过程当中也有局部性原理来支撑，所谓的局部性原理就是用什么调什么，由于用的都是某一个区域、或者某一个区域相邻的数据居多，所以此时可以支撑整个软件的运行，简单来看的话，由于只需要一部分数据立即来使用，因此可以将100G切片之后，用什么调一部分调到内存中去，这种内存与外存可以把这两个级别的存储器放在一起称之为虚拟存储体系，那这个调用的过程一般由操作系统来控制，调到内存中，依然与CPU有速度容量上的差距，因此还会调到Cache，再由Cache再调到CPU的寄存器。
PC_非连续内存分配方式@分页存储管理@地址变换机构@慢表@快表TLB@相联存储器CAM@有效访存时间
xuchaoxin1375的博客
11-28 1256
而之前已经计算出页内偏移地址占用了12 位，因此一个32位的逻辑地址空间就剩下了10 (32-10-12=10)位，正好使得二级页表的大小在一页之内， 这样就得到了逻辑地址空间的格式。来告诉我们第几张页表该上哪里去找，这能解决页表的查询问题，且不用把所有的页表都调入内存，只在需要它时才调入(下节介绍的虚拟存储器思想)，因此能解决占用内存空间过大的问题。以某个需要40MB内存的进程(系统分配给该进程共40MB)的内存(页框)为例,体会进程的页表可能占用掉相当客观的内存。
相联存储器组成和检索
tttry的专栏
09-11 3237
今复习看到cache这一节，cam相联存储器看的是相当费劲。晚上上课，老师去领教师节的礼品去了，随回宿舍查资料，现整理如下先贴出来两张图，一张是相联存储器的基本组成，一张是相联存储器检索的例子 图一：相联存储器的基本组成 图一就是相联存储器的基本组成相联存储器由存储体、检索寄存器、屏蔽寄存器、符合寄存器、比较线路、代码寄存器、控制线路等组成。                     （1）检索寄存器：用来存放检索字，其位数和相联存储器的存储单元位数相等。如图二，检索字是01xx，关键字是01，检索字的位数同
相联存储器的设计｜——组成原理课程设计
01-03
联存储器不按地址访问存储器，而按所存数据字的全部内容或部分内容进行查找（或检索）。基本组成如图1.1所示。设存储器有W个字，字长n位。CR为比较数寄存器，字长也为n位，存放要比较的数（或要检索的内容）。MR为屏蔽寄存器，与CR配合使用，字长也为n位。当按比较数的部分内容进行检索时，相应地把MR中要比较的位设置成“1”，不要比较的位设置成“0”。SRR为查找结果寄存器，字长为W位，假如比较结果第i个字满足要求，则SRR中的第i位为“1”，其余各位为“0”，若同时有n个字满足要求，则相应地就有n位为“1”。
相联存储器的设计与实现.rar
07-11
相联存储器既可按地址寻址，又可按内容（通常是某些字段）寻址，又称为按内容寻址的存储器。基本组成如图1.1所示。检索寄存器CR用来存放检索字，其位数与相连存储器的字长相等。屏蔽寄存器MR用来存放屏蔽码，其位数与检索寄存器位数相同，其内容与需要检索的字段有关。比较线路是把检索项和所有存储单元的相应位进行比较，如果比较结果相等，就将符合寄存器RR的相应位置“1”。RR又称为查找结果寄存器，其位数等于相联存储器的字数。如果比较结果第i个字满足要求，则RR的第i位为“1”，其余各位为“0”。代码寄存器用来存放从存储体中读出的代码，或存放写至存储体中的代码。
相联存储器（Associative Memory）也叫按内容访问存储器（Content Addressable Memory，CAM），是一种特殊的存储器
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02-22 2235
相联存储器（Associative Memory）也叫按内容访问存储器（Content Addressable Memory，CAM），是一种特殊的存储器。它与传统存储器不同，传统存储器是通过地址来访问存储单元并读写数据，而相联存储器是根据存储内容的特征或数据本身来进行访问。相联存储器的工作原理是：将数据或数据的特征存储在存储单元中，在访问时，把要查找的内容与存储器中所有存储单元同时进行比较，找出符合条件的存储单元，然后对这些单元进行相应的读写操作。
相联存储器
qq_40409369的博客
07-24 1342
相联存储器 指其中任一存储项都可以直接用该项的内容作为地址来存取的存储器。选用来寻址存储器的子段叫做关键字，简称为键。这样，存放在相联存储器的项中的项可以看成具有下列格式： KEY，DATA 其中键KEY是地址，而数据DATA是读写信息。 由此可知，相联存储器的基本原理是把存储单元所存内容的某一部分作为检索项(即关键字项)，去检索该存储器，并将存储器中与该检索项符合的存储单元内容进行读出或写入。 ...
计算机组成原理——第三章存储器（高速缓存器基本内容、地址映射、cache读写操作）
qq_54363472的博客
11-03 1272
高速缓存器基本内容、地址映射、cache读写操作
PC_访存过程@内存地址翻译过程@具有快表TLB和cache的多级存储系统
xuchaoxin1375的博客
11-30 1953
在一个具有Cache和TLB的虚拟存储系统中，CPU一次访存操作可能涉及5个地方的访问。根据乘法原理(方幂模型),理论上组合情况有。查找时，快表和慢表也可以同步进行。
cache的结构和工作原理
11-03
2. 直接相联方式：主存储器中一块只能映射到 Cache 的一个特定的块中，目录表存放在高速小容量存储器中，包括二部分：数据块在主存的区号和有效位。直接相联方式的优点是地址映射方式简单，数据访问时，只需检查区号...
深入理解Cache的工作原理与局部性在计算机组成中的应用
高命中率意味着大多数访问都能在高速Cache中完成，从而大幅减少平均访存时间，提升系统性能。 在存储系统的层级结构中，Cache位于CPU寄存器与主存之间，常分为多级结构，如L1、L2甚至L3 Cache。其中L1 Cache距离CPU...
计算机组成原理学习笔记第4章 4.8——相联存储器
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什么是相联存储器
张森昶的博客
09-03 4142
相联存储器的主要目的是在处理器需要访问数据时，提供快速的数据检索，减少访问主存储器的延迟。相联存储器的存在可以显著提高计算机系统的性能，因为它可以减少CPU等待主存储器的时间，从而加速数据访问。不同级别的相联存储器（如一级缓存、二级缓存和三级缓存）通常按照容量和延迟的权衡进行设计，以满足不同的性能需求。如果请求的数据不在缓存中，发生不命中，需要从主存储器中加载数据，这会引入较大的延迟。：相联存储器将主存储器的数据分成固定大小的块，这些块称为缓存行或缓存块。每个缓存行包含一定数量的字节数据。
第一章 计算机体系结构（三）— 存储系统之相联存储器
qq_40120946的博客
08-14 2749
相联存储器1. 工作原理2、作用 是一种按内容访问的存储器。 1. 工作原理 把数据或数据的某一部分作为关键字，按顺序写入信息，读出时并行的将该关键字与存储器中的每一单元进行比较，找出存储器中所有与关键字相同的数据字，特别适合信息的检索和更新。 - 2、作用 相联存储器可用在高速缓冲存储器中，在虚拟存储器中用来作为段表，页表或快表存储器，用在数据库和知识库中。 ...
相联存储器--挖掘之五
seacean2000的专栏
11-13 7582
相联存储器是一种按内容访问的存储器。 工作原理：把数据和数据的某一部分作为关键字，按顺序写入信息，读出时并行地将该关键字与存储器中的每一个单元进行比较，找出存储器中所有与关键字相同的数据字，特别适合信息的检索和更新。 具体的工作流程：输入的数据首先会进入一个检索的寄存器存储，检索寄存器将检索的信息发送给屏蔽寄存器做过滤，过滤之后检索信息将只保留需要参与真正检索活动的数据。这些数据进入数量很大的
全相联cache实验心得
最新发布
07-08
### 全相联Cache实验经验分享 全相联Cache是一种特殊的Cache映射方式，其特点是主存中的任何一个块都可以被放置到Cache中的任意一个位置。这种设计提高了Cache的利用率，但同时也增加了硬件复杂性[^3]。 在实验过程中，许多学生发现全相联Cache的设计和实现相对复杂。尤其是在理解Cache与RAM之间的关系时，初学者可能会遇到逻辑上的困难。例如，在搭建Cache与RAM的复合系统时，需要考虑读写操作以及如何处理不同的访问情况（命中、未命中、替换策略等）。解决这些问题的关键在于回归Cache的基本功能，明确其作为高速缓存的作用，并逐步将各个模块连接起来[^2]。 ### 实验总结 通过全相联Cache实验，可以更深入地理解以下几点： 1. **Cache容量的影响**：较大的Cache容量通常可以降低不命中率，但也可能导致更高的成本和更长的访问时间。实验中可以通过调整Cache大小来观察其对性能的影响。 2. **替换策略的重要性**：由于全相联Cache允许主存块放入任何可用的Cache块中，因此必须选择合适的替换算法（如LRU或随机法）来决定哪些块应该被淘汰。实验表明，LRU算法虽然效率较高，但在硬件实现上较为复杂；而随机法则相对简单，但可能不如LRU有效[^1]。 3. **地址比较机制**：全相联Cache需要将主存地址的标记与所有Cache块的标记进行比较，这导致了比较器的数量增加，从而影响了整体性能。实验中可以通过分析不同地址映射方式下的比较次数来验证这一点[^3]。 ### 常见问题 1. **Cache未命中率过高**：这可能是由于Cache容量不足或者替换策略不合适造成的。可以通过增加Cache容量或优化替换算法来改善。 2. **地址比较错误**：在实现全相联Cache时，如果地址比较逻辑设计不当，可能会导致主存块无法正确匹配到Cache块。检查比较器的逻辑是否正确是解决此问题的关键。 3. **数据一致性问题**：当Cache和主存之间存在多个副本时，需要确保数据的一致性。实验中可以采用写回（Write-Back）或直写（Write-Through）策略来管理数据更新[^4]。 4. **替换策略实现复杂**：尤其是对于LRU算法，其实现需要额外的状态跟踪机制。为了简化实验，可以选择使用近似LRU的方法或直接采用随机替换。 ### 示例代码：全相联Cache的模拟 以下是一个简单的全相联Cache模拟程序，展示了基本的Cache操作，包括插入、查找和替换。 ```python class FullyAssociativeCache: def __init__(self, capacity): self.capacity = capacity # Cache的最大容量 self.cache = {} # 使用字典模拟Cache self.lru_order = [] # 记录最近使用的顺序 def get(self, key): if key in self.cache: # 更新LRU顺序 self.lru_order.remove(key) self.lru_order.append(key) return self.cache[key] else: return -1 # 表示未命中 def put(self, key, value): if key in self.cache: # 如果键已存在，先删除旧的位置 self.lru_order.remove(key) elif len(self.cache) >= self.capacity: # 如果Cache已满，移除最久未使用的项 lru_key = self.lru_order.pop(0) del self.cache[lru_key] # 插入新项 self.cache[key] = value self.lru_order.append(key) # 测试全相联Cache cache = FullyAssociativeCache(3) cache.put('A', 1) cache.put('B', 2) cache.put('C', 3) print(cache.get('A')) # 输出1 cache.put('D', 4) # 此时Cache已满，移除'B' print(cache.get('B')) # 输出-1（未命中） ``` ---
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