Организация и принцип работы кэш-памяти. Способы организации кэш-памяти. Обновление информации
Верхний уровень памяти: внутренняя память процессора, КЭШ и ОЗУ.
Средний уровень: магнитные диски.
Нижний уровень: съемные диски.
При обращении процессора напрямую к ОП, последняя не успевает обслуживать все поступающие заявки, поэтому процессор простаивает. Необходимо согласование процессора и подсистемы памяти. Эту задачу можно решить двумя путями:
дорогая ОП, использующая более быструю элементную базу;
структурные методы организации подсистемы памяти (включение между процессором и ОП – КЭШ памяти).
КЭШ память обладает высоким быстродействием (сравнимо с быстродействием процессора (порядка 10-15 нс)), однако имеет малую емкость.
КЭШ память – это тайник, не доступный для программ в том смысле, что никак не может быть адресована машинными командами.
В КЭШ в каждый момент времени хранится некоторый фрагмент из ОП. Когда процессору необходима информация, то он обращается к КЭШ памяти, и если требуемая информация там есть (КЭШ попадание – cache hit), то она используется и передается в процессор. Если же нужной информации нет, то это cache miss (КЭШ промах). В этом случае происходит обращение к ОП, откуда берется информация и помещается в КЭШ, а затем из КЭШ в процессор.
Эффективность КЭШ = количество попаданий / общее количество обращений
Пусть ОП состоит из 2^n адресованных ячеек. ОП можно представить, как совокупность блоков определенной длины. КЭШ память состоит из C строк, причем C << M, где M – объем информации в ОП (M = 2^n / k).
Информация из ОП копируется целыми блоками, а не по словам.
ТЭГ – служебная информация, говорит о том, какой блок из ОП содержится в данный момент в КЭШ. Другими словами информация ТЭГ – старшие разряды кодов адреса в памяти.
Алгоритм выполнения операции передачи слова из кэш в процессор
КЭШ соединен с ЦП тремя линиями связи: адрес, данные и управление. Линии подключены также к системной магистрали. Через них происходит обмен информацией. Если нужная процессору информация находится в КЭШ, то буфер данных и буфер адреса блокируется. Если в КЭШ нет этой информации, то затребованный адрес передается в буфер адреса и на системную магистраль. Прочитанные данные помещаются сначала в буфер данных, а затем в ЦП и КЭШ. Есть схемы, где связь ЦП – буфер данных отсутствует.
Основные функциональные характеристики КЭШ памяти
Объем (емкость). Важную роль играет сочетание цена – объем.
Метод отображения. Необходимо установить соответствие между строками КЭШ и блоками ОП.
Прямой (прямая функция отображения). За каждым блоком ОП закреплена строка КЭШ. Характеристики: +простота, – неравномерность использования строк КЭШ.
Ассоциативный – ТЭГ – все старшие разряды кода адреса. Разрывается жесткая связь между блоком ОП и строкой КЭШ. Характеристики: +гибкость, – сложный алгоритм поиска строк.
Комбинированный (секционированная ассоциативная КЭШ). Характеристики: + достоинства первых двух методов.
Алгоритм (способ) замены строк.
LRU (Least Recently Used) Заменяется строка, к которой наиболее долго не обращался процессор.
FIFO.