3.9. Эксклюзивная и инклюзивная организация кэш-памяти

В многоядерных процессорах структура кэш-памяти на кристалле содержит три уровня: L1, L2 и L3. Для обеспечения когерентности используются разные способы организации взаимодействия памятей различных уровней.

Эксклюзивная организация.

Данные размещаются только на одном уровне и не дублируются на других уровнях. При первоначальной загрузке блок данных посту­пает в кэш L1, минуя кэш L2.

При замещении этот блок из кэша L1 переписывается в кэш L2. При повторном обращении процессора к этому блоку данных он удаляется из кэша L2 и поступает в кэш L1.

Аналогично взаимодействуют кэш-памяти L2 и L3.

Преимущество эксклюзивного кэша в том, что общий размер кэ­шируемой информации равен суммарному объёму кэшей всех уров­ней. Это позволяет более эффективно использовать объем кэш-памя­ти.

Инклюзивная организация.

Нижние уровни кэш-памяти гарантированно содержат данные, присутствующие в верхних уровнях кэш-памяти (т.е. расположенных ближе к процессорному ядру).

Таким образом, при инклюзивной ор­ганизации блоки данных дублируются на всех уровнях.

В процессорах AMD Phenom используется эксклюзивный кэш L3. В процессорах Intel Core i7/i5 кэш L2 построен инклюзивно по отно­шению к кэшу L3.

В последнем случае упрощается проверка коге­рентности: если данных в кэше L3 нет, то их нет и в кэшах L1 и L2. Если блок данных присутствует в кэше L3, то к нему привязаны четыре бита, показывающие в кэше какого ядра дублируется этот блок.

В процессоре с архитектурой Nehalem при емкости кэше L3, рав­ной 8 МВ, на дублирование данных потребуется максимум 1,25 МВ.

3.4 Ассоциативная память

Понятие «ассоциация» относится, прежде всего, к памяти, в кото­рой выборка осуществляется не по адресному принципу, а по содер­жанию.

Ассоциативная память использует запись и чтение данных таким образом, чтобы обеспечить выборку слов, имеющих заданное содер­жание определенных полей.

П оиск ведется с использованием ассоци­ативных признаков. Структура такой памяти представлена на рис. 3.4 [1].

Р и с. 3.4. Ассоциативная память

ЗМ - запоминающая матрица;

ШП - шина признака;

ШД - шина данных

Память хранит M ячеек для m+1 -разрядных слов, имеющих зна­чения признаков.

Служебный m +1-й разряд показывает: «0» - ячейка свободна для записи, «1» - ячейка занята. Значения ассоциативного признака формируются регистром маски из полей признаков, посту­пающих из шины признаков ШП в регистр ассоциативного признака.

Поиск в запоминающей матрице выполняется за один такт одновре­менно по полям ассоциативных признаков всех хранящихся слов.

Это является отличительной чертой ассоциативных устройств памяти.

Ре­ализация такого поиска осуществляется комбинационными схемами совпадения на базе элементов «сложение по модулю 2».

УРВ - устройство разрешения выборки

Схемы совпадения параллельно сравнивают каждый бит храни­мых слов с соответствующим битом признака поиска.

В регистре сов­падений каждой строке ЗМ соответствует один разряд.

В него зано­сится единица, если биты данной строки совпали со всеми одноимен­ными битами признака поиска.

При выборке в регистре совпадений отмечаются строки с данными, имеющими одинаковые признаки. Та­ких данных может быть несколько, например, несколько команд.

Устройство разрешения выборки УРВ выбирает одно из этих данных (например, первое). Значения управляющих сигналов:

ai = 1 - в ЗМ нет слов, совпадающих с признаком;

a2 = 1 - в ЗМ только одно слово, совпадающее с признаком;

а₂ = 1 - в ЗМ несколько слов, совпадающих с признаком.

Управляющая схема выдает нужную строку из ЗМ на шину дан­ных ШД.

Преимущества ассоциативной памяти в быстроте поиска слов и возможности выполнения логических операций над словами во время их поиска (поиск минимального или максимального элемента в мас­сиве, поиск слов, заключенных в заданные границы и т.п.).

Недостаток: сложность аппаратной реализации блока одновре­менного сравнения слов с ассоциативными признаками.