21. Организация памяти эвм, кэширование.

КЭШ-память представляет собой быстродействующую буферную память ограниченного объема, которая располагается между процессором и относительно медленной основной памятью. Буферные памяти скрыты от программиста в том смысле, что он не может их адресовать и не может даже знать об их существовании. Поэтому они получили название кэш-памятей 1. Эффективность кэш, зависящая от ее емкости, размера блока, соотношения времен считывания слова из кэш и блока из ОП, проявляется в уменьшении среднего времени, затрачиваемого на выборку слова данных-и-определяемого-выражением  tсчит.ср=tкэш tОпбл/kср, где tкэш – время считывания слова из КЭШ; tОпбл – время считывания блока из ОП; kср– среднее число обращений к КЭШ между двумя последовательными обращениями к ОП. Следует отметить, что расслоение памяти существенно уменьшает tОпбл , позволяя при этом с задержками на один такт считывать группу слов из ячеек ОП с последовательными адресами. В процессе работы отдельные блоки информации копируются из основной памяти в кэш-память, и когда процессор обращается за командой или данными, то сначала проверяется их наличие в кэш-памяти. Если необходимая информация находится там, то она быстро извлекается. Такой случай обращения называется кэш-попаданием. Если необходимая информация в кэш-памяти отсутствует, то она выбирается из основной памяти и одновременно заносится в кэш-память. Такой случай называют кэш-промахом. Повышение быстродействия вычислительной системы достигается в том случае, когда кэш-попадания реализуются намного чаще, чем кэш-промахи. Высокий процент кэш-попаданий обеспечивается благодаря тому, что в большинстве случаев программы обращаются к ячейкам памяти, расположенным вблизи с ранее использованными. Это свойство, которое называют локальностью программ, обеспечивает эффективность использования кэш-памяти. В микропроцессоре i486 для сокращения времени доступа к информации используется внутренняя кэш-память объемом 8 Кбайт, размещенная непосредственно на кристалле микропроцессора. Внутренний кэш i486 используется при обращении, как к командам, так и к данным, обращение ведется по физическим адресам. КЭШ имеет несколько режимов работы, обеспечивающих гибкость при выполнении программ и в процессе их отладки. Отдельные области памяти могут быть определены программным обеспечением или внешней аппаратуры как не подлежащие загрузке во внутренний кэш. Помимо внутренней кэш-памяти (1-й уровень кэширования) в микропроцессорных системах на основе i486 допускается использование дополнительной внешней кэш-памяти (2-й уровень кэширования). Для управления внешней кэш-памятью i486 вырабатывает специальные сигналы. Нормальная работа микропроцессорной системы с кэш-памятью обеспечивается соответствующими механизмами, которые поддерживают соответствие содержимого основной памяти и кэш-памяти. При записи соответствие содержимого основной и кэш-памяти достигается с помощью механизмов сквозной записи или обратной записи. При сквозной записи выполняется одновременное изменение содержимого кэш-памяти и основной памяти. Именно этот механизм характерен для внутренней кэш-памяти i486. При обратной записи изменение содержимого кэш-памяти вызывает установку специального признака (бита "мусора"). При обновлении содержимого кэш-памяти блоки информации, имеющие установленный признак "мусора", переписываются обратно в основную память. Этот механизм может быть реализован в кэш-памяти-2-го-уровня. При наличии нескольких микропроцессоров i486 в системе соответствие содержимого основной памяти и внутренней кэш-памяти каждого из них достигается при помощи механизма аннулирования (объявления недостоверными) срока внутренней кэш-памяти и соответствующих циклов магистрали. Если при чтении произошел кэш-промах и кэширование данной области памяти разрешено, то производится обновление строки кэш-памяти, т.е. информация вводится в нее из основной памяти. Новая информация замещает ранее имевшуюся. При этом удаляется в первую очередь информация, отмеченная как недостоверная, а если таковой нет, то чаще всего используется правило удаления из кэш-памяти, которая дольше всего оставалась невостребованной. Такой алгоритм обновления называется "замещение наименее используемой информации" (LRU - least recently used).