Функционирование кеш-памяти

Диаграмма кэша памяти ЦПУ

Кэш — это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее «основная память»). Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами, веб-серверами, службами DNS и WINS.

Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.

Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдена запись, содержащая затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становится доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.

Например, веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы, соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL — это идентификатор, а содержимое веб-страницы — это элементы данных.

Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения.

При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.

В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.

В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный»). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.

В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.

5. Постоянное запоминающее устройство

Это устройство, которое позволяет прочитать то, что в нем записано, но не допускающее хотя бы частичного изменения информации, занесенной в него в процессе изготовления. Постоянная память характеризуется большим объемом хранимой информации и меньшей потребляемой мощностью по сравнению с ОЗУ. Но главное достоинство ПЗУ, как уже говорилось, в том, что хранимая информация не разрушается при выключении питания и может сохраняться сколь угодно долго. Поэтому программа для системы автоматического управления технологическим процессом после ее испытания и отладки должна быть зафиксирована в ПЗУ, не допускающем случайного или умышленного изменения хранимойинформации.

В состав ПЗУ входит устройство декодирования адреса и программируемая логическая матрица (ПЛМ), являющаяся собственно местом хранения двоичной информации.

Простейшая программируемая логическая матрица представляет собой ряды перекрещивающихся горизонтальных (адресных) и вертикальных (информационных) проводников или шин. В точках, определяемых той программой, которую хранит данная матрица, шины соединяются между собой диодами. Использование диодов обеспечивает одностороннее протекание тока и устраняет возможное влияние шин друг на друга. Подключение диода к какой-то информационной шине эквивалентно записи в ПЗУ единицы в данный разряд, а если проводники не соединены, то это означает запись нуля. Таким образом, расположение диодов в строке матрицы определяет хранимое в ПЗУ одно машинное слово.

В технической литературе на английском языке ПЗУ называют ROM — Read Only Memory, т. е. памятью только для чтения. ОЗУ по-английски называют RAM — Random Access Memory, т. е. памятью с произвольным доступом. Слова «с произвольным доступом» относятся к порядку адресов, по которым в любой последовательности может записываться и считываться информация. Обозначения RAM и ROM должны проставляться на условных обозначениях элементов памяти в принципиальных схемах.

Возможность обращения к любой ячейке памяти в произвольном порядке справедлива как для ОЗУ, так и для ПЗУ, поэтому их еще называют запоминающими устройствами с произвольным выбором (ЗУПВ). В таких устройствах время считывания из ячейки памяти не зависит от ее адреса. Кроме ЗУПВ, существуют устройства с последовательным обращением, в них данные можно читать только в том же порядке, в котором они записывались. Последовательная запись и считывание применяются во внешних устройствах памяти на магнитных лентах и дисках.

Организация системы памяти значительно упрощается, если в каждой БИС хранится полное машинное слово, т. е. 8 или 16 бит. В таком случае каждый вывод корпуса непосредственно соединяется с соответствующей линией шины данных. Но подобная организация БИС памяти имеет место только в некоторых ПЗУ. Гораздо чаще организация микросхемы такова, что число выводов корпуса и соответственно разрядность хранимого слова меньше, чем число разрядов в машинном слове. Очень часто организация БИС памяти соответствует 512X1 или 1024X1. т. е. в каждой БИС может храниться только один бит. При подобной организации БИС необходимая длина машинного слова достигается параллельным включением соответствующего числа микросхем. В микропроцессорных системах с 8-разрядным машинным словом нужно параллельно включить 8 одинаковых БИС памяти.

Адресные входы всех этих БИС подключаются параллельно к младшим разрядам шины адреса. Все выводы ЧТ/ЗАП также параллельно подключаются к соответствующим линиям шины управления. Информационные выводы каждой БИС подключаются к шине данных, от каждой БИС — к своему разряду.