1.7.6. Применение азу для ускорения процессов обмена с памятью
Для ускорения выборки операндов из памяти в вычислительных системах используются специальные буферные ЗУ. Это позволяет в процессе выполнения программ осуществить подмену обращений к ОП обращениями к более быстродействующему БЗУ (как правило АЗУ), содержащему активные составляющие программы. Подмена ячеек ОП ячейками более быстродействующей схемы предполагает определение степени активности информации, используемой задачей. Это необходимо для пересылки слова из ОП в БЗУ с тем, чтобы последующее обращение к данному слову обслуживалось бы посредством БЗУ. Схема, реализующая соответствующий подход на базе ассоциативного ЗУ, приведена на рис. 1.38.
В составе используемого АЗУ выделяют: АП – адресное поле, РП – рабочее поле, УП – управляющее поле.
В N ячейках адресного поля хранятся N адресов оперативной памяти, а в соответствующих регистрах рабочего поля N операндов. Обращение к ОЗУ начинается с передачи адреса из РК через MUX A на входы адресного поля АЗУ. Одновременно исполнительный адрес передаётся на адресные входы ОП через регистр адреса. Если искомое значение находится в ассоциативной памяти, то схема формирует признак 0 = 1, что позволяет передать данные через мультиплексор данных MUX DI на вход DI процессора. При 0 = 0 выполняется чтение операнда из ОП.
Если в процессе выполнения программы один из операндов, расположенный в ОП, оказывается достаточно активен, то выполняется его перемещение в КЭШ ЗУ (АЗУ) после анализа активности содержимого кэша. Активный операнд может быть переписан также и в свободную ячейку АЗУ. При этом о наличии свободных мест свидетельствует признак 1 = 0. Если свободных мест нет, то признак 1 = 1.
Для разрешения конфликтной ситуации с 1 = 1 необходимо выбрать определенный алгоритм, ориентированный на замену слов, записанных в АЗУ. Наиболее часто с этой целью используют управляющее поле УП самого кэша, сложность которого определяет точность решения задачи. Очевидно, что при наличии в структуре УП N двоичных счетчиков, можно получить 100 % точность в определении степени активности данных. Однако стоимость АЗУ при этом оказывается достаточно большой, и разработчику памяти на практике приходится использовать некоторые приближенные алгоритмы анализа активности.
В современных процессорах (например P3) с высокой производительностью все чаще используют двухуровневые кэши. При этом кэш первого уровня состоит из подсистемы команд объемом 16 Кбайт и такого же кэша данных. Последний имеет четырехканальную множественно-ассоциативную организацию, что означает разбиение пространства памяти на страницы и объединение страниц в подмножества. Такой подход к организации кэш ЗУ уменьшает время ассоциативного поиска, поскольку область сканирования уменьшается за счет предварительного просмотра кодов блоков. Соответственно число страниц в множестве в данном случае равно четырем, что указывает на внутреннюю канальность кэша. При записи информации в данную подсистему используются различные протоколы взаимодействия.
Кэш команд имеет четырехканальную множественно-ассоциативную организацию. Поскольку в ходе выполнения программ команды не модифицируются, особая стратегия записи для данного кэша не нужна.
Кэш второго уровня имеет гораздо больший объем. В нем содержатся команды и данные. Этот кэш соединен с остальной частью системы через шинный интерфейс компьютера.