1. Структура, алгоритм функционирования кэш-памяти

Впервые буферная память была использована в 1968 году. Кэш-память – неадресуемая память, ее функционирование осуществляется с помощью ОС.

ОП
		КЭШ		Процессор
				Аисп

Использование кэша позволяет избежать циклов обращений к медленной ОП.

Функционирование кэш-памяти. Процессор по Аисп обращается к ОП. Затребованное содержимое записывается в кэш и в дальнейшем процессор работает с кэш-памятью. Если при последующем обращении к кэшу необходимая информация присутствует, то фиксируется попадание, если ее нет – промах. В последнем случае использованная информация восстанавливается в памяти, а в кэш загружается новое содержимое. ОП и БП логически разделяются на сегменты (сектора – БП), блоки и ячейки. Аисп выставляется на шине процессора и имеет следующую структуру.

№ сегмента

№ блока

№ ячейки

Количество блоков и их нумерация в ОП и БП одинаковы.

Основные элементы кэш-памяти:

1. Кэш состоит из небольшого быстродействующего ЗУ, содержащего часть информации ОП. Такой информацией могут быть данные, команды, используемые в конкретном промежутке времени. Т.е. кэш может быть кэшом команд и кэшом данных.

2. Быстродействие кэша обычно на порядок выше, а емкость на 1-2 порядка меньше, чем у ОП.

3. В системах с кэшем требуется идентификация для определения адреса отображаемых участков ОП. Эту часть обычно называют матрицей адресов.

4. В строке кэша выделяется бит присутствия. Единичное значение бита указывает, что строка заполнена.

5. В строке кэша выделяется бит изменения. Если = 1, значит было изменение.

В кэш должна быть использована логическая схема, определяющая порядок удаления информации из блоков кэш. Реализуется с помощью алгоритмов замещения. Порядок восстановления информации при ее вытеснении из кэш реализуется методами восстановления информации. Порядок отображения информации реализуется с помощью 4-х способов отображения. Для синхронизации работы кэш памяти с ОП используется контроллер управления памятью.

2. КЭШ-память. Способы отображения.

Существует четыре способа отображения адресного пространства ОП на пространство кэша:

1. Прямой способ; 2) Секторный способ; 3)Ассоциативный способ; 4)Группо-ассоциативный способ.

ПРЯМОЙ СПОСОБ ОТОБРАЖЕНИЯ

Оперативная память делится на сегменты, кэш память на сектора. Количество блоков и их нумерация в ОП и в кэше одинакова.

Правило: любой i-й блок j-го сегмента ОП может быть отображен на место i-го блока сектора кэш памяти. При прямом соответствии емкость кэш равна емкости 1-го сегмента ОП. № отображенного сегмента ОП указывается в регистре присутствия.

Порядок дешифрации адреса:

Обращение к регистру присутствия. Если сегмент присутствует в кэш памяти, то фиксируется попадание и осуществляется дешифрация № блока и обращение к соответствующему блоку.

Этот способ отображения является достаточно простым для реализации. Основным недостатком является малая емкость КЭШ памяти, т.е., сегменты могут претендовать на один и тот же ресурс.

СЕКТОРНЫЙ СПОСОБ ОТОБРАЖЕНИЯ

Правило: любой i-й блок j-го сегмента ОП может быть отображен на место i-го блока сектора кэш памяти, причем в одном секторе должны присутствовать блоки одного сегмента. В регистре присутствия указывается какой сегмент отображен в каждом секторе кэш памяти. Порядок дешифрации адреса аналогичен предыдущему способу.

Этот метод требует дополнительного оборудования для выполнения операций сравнения. Емкость сегментов достаточно велика и отображение всех блоков сегмента в одном секторе неэффективно. Для более эффективного функционирования КЭШ памяти в строку КЭШ вводится дополнительный бит достоверности.

В процессе отображения ОП на область КЭШ памяти пересылается всего лишь блок, к которому произошло обращение, для этого блока бит достоверности устанавливается в 1. При дешифрации А_исп, после обращения к регистру присутствия, анализируется бит достоверности для данного блока. Если он равен 0, то необходимо обратиться к ОП для отображения заданного блока в кэш, в противном случае блок присутствует в кэш памяти.

Такой способ отображения связан с дополнительными затратами оборудования и сложных управляющих устройств.

АССОЦИАТИВНЫЙ СПОСОБ ОТОБРАЖЕНИЯ

Оперативная память делится на блоки, кэш также делится на блоки. При таком способе любой i-й блок может быть отображен на место любого блока кэша. Строка кэша состоит из информационной и адресной части. В адресной части строки указывается номер отображенного блока, поиск отображаемого блока осуществляется методом ассоциативного поиска.

Если есть совпадение, то ТО(триггер ответчик) устанавливается в 1. После первой проверки проверяются только строки, триггеры которых установлены в 1. Этот способ отображения характеризуется гибкостью в реализации (отображается небольшой объем). Недостатком является небольшая емкость КЭШ и достаточное дорогое исполнение. Такой способ применим для кэш памяти объемом не более 256 байт.

ГРУППО-АССОЦИАТИВНЫЙ СПОСОБ ОТОБРАЖЕНИЯ

ОП делится на блоки и сегменты. КЭШ делится на блоки и сектора. Количество сегментов намного больше количества секторов. Любой i-й блок j-го сегмента ОП может быть отображен на место i-го блока любого сектора кэша.

Строка КЭШ памяти состоит из адресной (№ отображаемого сегмента) и информационной части. Поиск номера отображаемого сегмента осуществляется методом ассоциативного поиска. Порядок дешифрации адреса:

1. Выполняется обращение к i-тому блоку кэш памяти.

2. Производится проверка наличия требуемого сегмента в адресной части каждого блока.

Группо-ассоциативный способ используется в процессорах 486, Pentium III, Pentium IV. Благодаря гибкости и небольшому объему отображаемой информации количество попаданий при таком методе выше.