Лекция 4. Кэширование данных. Дисковая подсистема ОС

Определение

Кэширование – это способ совместного функционирования двух типов запоминающих устройств:

•устройства отличаются временем доступа, объемом и стоимостью хранения данных;

•сущность метода: динамическое копирование в «быстрое», но меньшее по объему ЗУ наиболее часто используемой информации из «медленного», но более объемного ЗУ

•цели:

1.уменьшить среднее время доступа к данным

2.экономить более дорогую быстродействующую память.

Кэш-памятью, или кэшем, часто называют одно из устройств - «быстрое» ЗУ

2

Основные положения

Кэширование – это универсальный метод, пригодный для ускорения доступа к оперативной памяти, к диску и к другим видам запоминающих устройств.

Если кэширование применяется для уменьшения среднего времени доступа к оперативной памяти, то в качестве кэша используют быстродействующую статическую память.

Если кэширование используется системой ввода-вывода для ускорения доступа к данным, хранящимся на диске, то в этом случае роль кэш-памяти выполняют буферы в оперативной памяти, в которых оседают наиболее активно используемые данные.

3

Схема функционирования кэш-памяти

4

Содержимое записи кэш-памяти

значение элемента данных;

адрес, который этот элемент данных имеет в медленной памяти;

дополнительная информация, которая используется для реализации алгоритма замещения данных в кэше и обычно включает признак модификации и признак действительности данных.

5

Понятия кэш-промаха и кэш-попадания

Если данные обнаруживаются в кэш-памяти, то есть произошло кэш-попадание (сасhе-hit), они считываются из нее и результат передается источнику запроса;

Если нужные данные отсутствуют в кэш-памяти, то есть произошел кэш-промах (сасhе-тiss), они считываются из основной памяти, передаются источнику запроса и одновременно с этим копируются в кэш-память.

6

Характеристика процесса: среднее время доступа к данным

Пусть имеется:

медленное запоминающее устройство со средним временем доступа к данным t1;

кэш-память, имеющая время доступа t2 (очевидно, что t2<t1).

Пусть t – среднее время доступа к данным в системе с кэш- памятью, а р – вероятность кэш-попадания.

По формуле полной вероятности имеем:

t = t1(p-1) + t2p = (t2-t1)p + t1.

7

Вывод

Среднее время доступа к данным в системе с кэш-памятью линейно зависит от вероятности попадания в кэш и изменяется от среднего времени доступа в основное запоминающее устройство (t1 при p=0) до среднего времени доступа непосредственно в кэш-память t2 при р=1.

8

Высокое значение вероятности нахождения данных в кэш-памяти объясняется наличием:

Временной локальности. Если произошло обращение по некоторому адресу, то следующее обращение по тому же адресу с большой вероятностью произойдет в ближайшее время.

Пространственной локальности. Если произошло обращение по некоторому адресу, то с высокой степенью вероятности в ближайшее время произойдет обращение к соседним адресам.

9

Проблема согласования данных

Наличие в компьютере двух копий данных – в медленной памяти и в кэше – порождает проблему согласования данных. Если происходит запись в медленную память по некоторому адресу, а содержимое этой ячейки находится в кэше, то в результате соответствующая запись в кэше становится недостоверной.

10