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 единицы 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, участвующих в процессе, - «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 (аппаратный кэш).
•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
|
|
|
Медленный ответ |
|
|
||||||||||
|
|
(кэш-промах) |
|
|
|||||||||||
Источник запросов |
|
|
|
||||||||||||
|
|
||||||||||||||
к медленной |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Медленная |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
памяти |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
Запрос |
|
|
|
|
|
память |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Быстрая |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
память |
|
|
|
||
|
Быстрый ответ |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
(кэш) |
|
|
|
|
|||||||
|
(кэш -попадание) |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
Структура кэш-памяти |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Адрес данных в |
|
|
|
|
|
Данные |
|
Управляющая |
|
|||||
|
медленной памяти |
|
|
|
|
|
|
|
|
информация |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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, т.е. произошло кэш-попадание (сасhе-hit), они считываются из нее и результат передается источнику запроса;
•Если нужные данные отсутствуют в кэш- памяти, т.е. 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(1-p) + t2p = (t2-t1)p + t1.
7
Вывод
Среднее время доступа к данным
всистеме с кэш-памятью линейно зависит от вероятности попадания
вкэш 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