35. Сверхбыстродействующая память (сбп). Назначение и основные способы организации.

Сверхбыстродействующая память образует верхний уровень в иерархии подсистемы памяти. Располагается она либо в самом процессоре, либо в устройстве управления памятью. Эта локальная память отличается небольшим объемом и высоким быстродействи­ем.

Применение СБП основывается на результатах статистических данных, относительно частоты использования ячеек ОП, обуслов­ленной как временной, так и пространственной локальности дан­ных в ОП.

Совместное использование СБП и ОП позволяет сократить среднее время доступа к памяти, т.е. эффективное время обраще­ния к ОП.

В иерархии памяти СБП занимает место между различными ре­гистровыми АЛУ или процессором и ОП. В современных машинах можно встретить использование регистровых файлов трех видов:

1.Регистры общего назначения. Это наборы быстродействующих прямо-адресуемых аппаратно-реализованных элементов памяти, которые в основном используются для промежуточного хранения данных и адресной арифметики.

2.Память типа LIFO (стек). Безадресная регистровая память, оп­ределяемая способом доступа - первым пришел, последним вышел. Используется для промежуточного хранения данных при контекст­ных переключениях.

3.Память типа FIFO (очередь). Безадресная память последова­тельного доступа, определяемая способом доступа - первым при­шел, первым вышел. Используется для буферизации команд, дан­ных и различных сообщений, а также синхронизации процессов в мультипрограммных системах.

Чаще всего буферная сверхбыстродействующая память ассо­циируется с памятью типа кэш, безадресным запоминающим уст­ройством, расположенным между процессором и ОП для повыше­ния производительности всей системы памяти в целом. Одно из основных назначений кэш-памяти, как и других буферных ЗУ, - это согласование скорости работы процессора и основной памяти. Кэш - это быстродействующая память, отобра­жающая (временно подменяющая) некоторые области ОП. Кэш для процессора прозрачна, т.е. неотличима от ОП.

Свойства:

1. Основное применение кэш заключается в ускорении выпол­нения машинных команд за счет сокращения времени доступа к памяти, а виртуальной памяти - увеличение объема памяти, непо­средственно доступного пользователю.

2. Управление кэш осуществляется полностью за счет аппарат­ных средств - контроллера кэш, а управление виртуальной памя­тью - со значительной поддержкой операционной системы.

36. Способы отображения ОП в кэш-памяти.

Принципы кэширования ОП. Базовой единицей информации обмена между кэш и ОП является блок. В структуре памяти с рас­слоением блок обмена образован группой слов (байтов), получае­мой при одном запросе ко всем банкам памяти, и равен числу слов, получаемых от одного банка памяти, умноженному на коэффици­ент расслоения. В любой момент времени блоки в кэш представляют собой копии части блоков, хранимых в ОП. При каждом обра­щении к ОП контроллер кэш проверяет, есть ли действительная копия затребованных данных в кэш. Если она есть, то это случай кэш-попадания, а данные берутся из кэш-памяти. Если действи­тельной копии там нет, это случай кэш-промаха, и данные берутся из ОП.

В зависимости от способа определения взаимного соответствия строки кэша и области ОП различают три основные архитектуры кэш-памяти: кэш прямого отображения, полностью ассоциативная кэш и их комбинация – многоканальная - множественная кэш. Для характеристик различных типов кэш-систем используется понятие степени ассоциативности, под которой понимают максимальное число входов кэша (строк), в которых может быть отображен блок ОП. Объем кэш-памяти определяется количеством строк и разме­ром хранимой копии блока.

В кэш-памяти прямого отображения адрес памяти, по которому происходит обращение, однозначно определяет строку кэша, в ко­торой может находиться требуемый блок. Кэшируемая ОП условно разбивается на блоки, размер которых совпадает с размером блока в строке кэш­памяти. Архитектура прямого отображения предусматривает, что каж­дая строка кэша может отображать из любого блока кешируемой ОП только соответствующую ему строку.

Полностью ассоциативная кэш-память. Этот способ построе­ния кэш-памяти с функциональной точки зрения наиболее эффек­тивный, но является дорогостоящим. Структура полностью ассо­циативного кэша основывается на исполь­зовании ассоциативного запоминающего устройства (АЗУ). Осо­бенностью такого кэша является возможность размещения любого блока ОП в любую строку кэша. При обращении к памяти процес­сор производит ассоциативный поиск среди всех строк кэша, при­чем ключом поиска служит полный адрес блока в ОП. Степень ассоциативности определяется числом входов, т.е. количеством строк в кэше.

В отличие от кэша с прямым отображением, в полностью ассо­циативным кэше, из-за возможности загрузки каждого блока ОП в любую строку необходимо обеспечение соответствующих алго­ритмов замещения.

Многоканальная множественная кэш-память. Такая струк­тура кэш-памяти определяется иногда как множественно-ассоциативная или многоканальная ассоциативная кэш-память. Эту структуру можно представить как несколько параллельно и согла­сованно работающих каналов ассоциативного отображения, где контроллер кэша принимает решение о том, в какую из строк одного из каналов ассоциативного отображения (множества) следует поместить очередной блок данных.