К эш с прямым отображением

Каждая строка кэш-памяти может содержать строку основной па­мяти только из определенного подмножества адресов, причем эти подмножества не пересекаются.

Поиск состоит из следующих шагов:

• определение, в какое из подмножеств адресов основной памяти попадает адрес строки, выработанный процессором;

• обращение к единственной соответствующей строке и сравне­ние ее тега с адресом от центрального процессора для определе­ния, является ли эта строка искомой.

На рис. 3.6. приведен пример структуры кэш-памяти с прямым отображением.

Рис. 3.6. Кэш-память с прямым отображением

Для простоты рассмотрим ОП, содержащую 16 строк данных, и кэш-память объемом в четыре строки. Собственно микросхема кэш­памяти содержит только данные в виде строк.

При этом в одной стро­ке находятся несколько слов с последовательными адресами.

В кэш- контроллере организована память тегов и индексов строк, а также блоки выборки строк и сравнения тегов

.Все строки основной памяти, имеющие S одинаковых младших разрядов, объединяются в подмножества.

Эти подмножества могут отображаться в кэше только в строке с индексом, равным коду этих разрядов.

В нашем примере индекс образуют два младших разряда.

Следовательно, например, строки 1, 5, 9 и 13 могут находиться толь­ко в строке кэша с индексом 01 и ни в какой другой строке.

В общем случае, если разрядность адреса ОП равна N, а разряд­ность индекса - п, то адресные теги содержат оставшиеся N-n разря­дов адреса строки.

Преимущество такой кэш-памяти в простоте организации и низ­кой стоимости.

Основной недостаток - ограниченное число комбинаций строк в кэше, что приводит к увеличению процента кэш-промахов.

Напри­мер, строки 5 и 9 не могут одновременно находиться в кэш-памяти, даже если есть свободные места в строках с другими индексами.

Полностью ассоциативный кэш

В полностью ассоциативной памяти любая строка ОП может на­ходиться в любой строке кэш-памяти и входить при этом в любые комбинации с другими строками.

Комбинационные схемы сравнения СС1-СС4 (рис. 3.7) одновре­менно анализируют все теги строк, находящихся в кэше в данный момент, и сравнивают их с адресом, поступившим с шины адреса от процессора.

Р и с. 3.7. Полностью ассоциативная кэш-память

При кэш-попадании найденная строка считывается в шину дан­ных ШД.

При кэш-промахе происходит замещение строки в кэш-па­мяти на требуемую строку, находящуюся в ОП.

Преимущество данной памяти в высокой скорости считывания. Недостаток - сложность аппаратной реализации. Поэтому полностью ассоциативная кэш-память чаще всего используется в специализированных буферах, таких, как буфер адресов переходов, с небольшим объемом строк.

Множественно-ассоциативный кэш

Этот вид памяти является промежуточным между двумя выше­рассмотренными типами памяти. В нем сочетаются простота кэша с прямым отображением и скорость ассоциативного поиска.

Кэш-память делится на непересекающиеся подмножества строк.

Каждая строка основной памяти может попадать в любое место толь­ко одного подмножества кэша.

Для поиска подмножеств использует­ся прямое отображение, а для поиска внутри подмножества использу­ется полностью ассоциативный поиск.

Число строк в подмножестве кэша определяет число входов (портов) самого кэша.

Рассмотрим пример кэш-памяти с двумя подмножествами (рис. 3.8).

Если 2ⁿ строк кэша разбивается на 2^S непересекающихся подмно­жеств, то S младших разрядов оперативной памяти показывают, в ка­ком из подмножеств (индексов) должен вестись ассоциативный по­иск.

Старшие N-S разрядов адреса основной памяти являются тегами. Для рисунка 3.8 имеем S=1.

Физический адрес 0111, выработанный процессором, разделяется на индекс 1, равный младшему разряду, и тег 011.

По индексу выби­рается второе подмножество строк в кэш-памяти, а затем происходит ассоциативный поиск среди тегов строк выбранного подмножества.

Найденная строка 7 с тегом 011 передается в шину данных ШД.

Ассо­циативный поиск производится одновременно по всем тегам с помо­щью комбинационных схем сравнения СС1 и СС2.