Полностью ассоциативный.
Не существует зависимости между блоком ОП и строкой КЭШ-памяти. Любой блок ОП может быть отображён в любую строку КЭШ-памяти.
Достоинства:
Имеется возможность запоминать различные несвязанные блоки ОП в конкретный момент времени.
Наиболее эффективный по быстродействию.
Недостатки:
Требуется сложная схема параллельного сравнения адреса блока ОП и адреса строки КЭШ-памяти.
Требуется больше времени для обновления КЭШ-памяти.
Кэш с прямым отображением (прямо адресуемый кэш).
Имеется строгая зависимость между блоками ОП и строкой КЭШа: за группой блоков ОП зарезервирована строка КЭШа):
Достоинства:
Наиболее простой в реализации.
Требуется мало времени для поиска необходимого блока в КЭШ-памяти (проверяется 1 строка).
Недостатки:
При частых обращениях к различным областям ОП контроллер КЭШ-памяти выполняет частое обращение к областям ОП.
Множественно-ассоциативная кэш-память.
Усовершенствованный КЭШ прямого отображения. В КЭШ-памяти находится несколько параллельных блоков (модулей) с прямым отображением, количество параллельных блоков называется входами. Размещение блоков по строкам модуля – произвольное, для поиска нужной строки в пределах модуля используется ассоциативный принцип.
Наиболее эффективен.
Стратегии записи.
ВАЖНО! Проблемы при операции записи: данные в КЭШ могут отличаться от данных в ОП. Главная задача – обеспечение когерентности данных.
3 стратегии записи:
Сквозное копирование – данные изменяются одновременно в ОП и КЭШе.
Минус – постоянное обращение к ОП.
Запись с буферированием – данные записываются в КЭШ и в специальный буфер. Специальная схема перезаписывает эти данные из регистра в ОП.
Запись с обратным копированием – данные изменяются только в КЭШ-памяти, а изменение данных в ОП происходит только тогда, когда происходит замещение соответствующей строки в КЭШе.
Наиболее эффективная стратегия.
Может использоваться в системах, где только 1 активное устройство.
Требует больших аппаратных затрат. В КЭШ добавляется дополнительный признак модификации ячейки. При записи этот флаг равен 1, обращение к ОЗУ не выполняется. При замещении анализ флага, если 1, то запись в ОЗУ, а потом замещение этой ячейки другой.
Алгоритмы замещения данных в заполненной КЭШ-памяти.
При прямом отображении каждом блоку ОП соответствует определённая строка КЭШа, и никакой выбор здесь невозможен. Для полностью ассоциативной КЭШ-памяти ситуация иная.
Основная цель стратегии замещения – удержание в КЭШ строки, к которым наиболее вероятны обращения в дальнейшем будущемь и заменять строки, доступ к которым произойдёт в отдалённым будущем либо вообще не случится.
Наиболее эффективный алгоритм – LRU (Least Recently Used) – замещается строка КЭШ, к которой дольше всего не было обращений.
При обращении к строке счётчик обнуляется.
Вариант без счётчика: реализуется очередь, куда в порядке заполнения КЭШ заносятся ссылки на эти строки; при каждом обращении ссылка помещается в конец очереди, т.о. первая в очереди – ссылка на стройку, к которой дольше всего не было обращений.
Алгоритм FIFO.
Алгоритм LFU (Least Frequency Used) – меньше всего обращений
Random – произвольный выбор строки для замены.
Пути повышения производительности КЭШ-памяти.
2 группы методов:
Аппаратные
Архитектурные.
Аппаратные методы основаны на оптимизации структуры КЭШ-памяти. Оптимизация заключается в следующем:
Ассоциативность opt
Объём оборудования opt
Алгоритмы замещения opt
Архитектурные основаны на детальном рассмотрении основ подготовки кода и определении новых методов подготовки кода.
Пример аппаратного метода – гибридный КЭШ.
КЭШ промахов – при обновлении данных в большом КЭШе, данные одновременно помещаются и во вспомогательный КЭШ. Данные ищутся сначала в основном КЭШе, а если не найдены – во вспомогательном. Если данные найдены во вспомогательном, они перезаписываются в основной.
КЭШ замещений – Данные во вспомогательном КЭШе обновляются данными, замещёнными в основном КЭШе.
КЭШ переходов – имеет более сложную структуру; обеспечивает запоминание динамического использования кода (запоминание перехода). Имеется возможность предсказывать адреса переходов.
Дисковая КЭШ-память.
Память с произвольным доступом, которая располагается между ОП и жёстким диском (SSD-диском). Пересылка информации между диском и ОП осуществляется контроллером дисковой КЭШ-памяти. В качестве единицы пересылки используется сектор, несколько секторов, дорожка или несколько дорожек.
В случае пересылки секторов КЭШ-память заполняется не только требуемым сектором, но и секторами, следующими за ним (опережающее чтение – Read Ahead).
Используется сквозная стратегия записи, алгоритм замещения LRU.
Особенность – реализуется механизм, который обеспечивает копирование данных, минуя данную КЭШ-память.