7.3.4. Организация кэша в коммерческих процессорах

Кэши процессора Pentium III

Pentium III был задуман как процессор с очень высокой производительностью. А поскольку производительность зависит от скорости доступа к командам и дан­ным, он снабжен двухуровневым кэшем. Кэш-память первого уровня состоит из кэша команд объемом 16 Кбайт и такого же кэша данных. Кэш данных имеет че­тырехканальную множественно-ассоциативную организацию и для него может применяться как обратная, так и сквозная запись. Кэш команд имеет двухканаль­ную множественно-ассоциативную организацию. Поскольку в ходе выполнения программы команды обычно не модифицируются, особая стратегия записи для кэша команд не нужна.

Кэш второго уровня имеет гораздо больший объем. В нем содержатся и коман­ды и данные. Этот кэш соединен с остальной частью системы, как показано на рис. 7.12. Блок шинного интерфейса соединяет все три кэша, основную память и устройства ввода-вывода. Для взаимодействия между процессором и остальными устройствами предназначены две раздельные шины: быстрая шина кэша, соеди­няющая процессор с кэшем второго уровня, и более медленная системная шина, соединяющая процессор с основной памятью и устройствами ввода-вывода.

Кэш второго уровня может быть реализован вне микросхемы процессора, как в версии процессора Pentium III под названием Katmai. L2-кэш этого процессора имеет размер 512 Кбайт и реализован на основе памяти SRAM. Он имеет четырех­канальную множественно-ассоциативную организацию, может использовать про­токолы сквозной и обратной записи. Шина данного кэша имеет ширину 64 бита.

Усовершенствование технологий создания СБИС позволило интегрировать кэш второго уровня прямо в микросхему процессора. Такая структура характер­на, в частности, для процессора Pentium III версии Coppermine. Его кэш L2 имеет размер 256 Кбайт и восьмиканальную множественно-ассоциативную организа­цию. Благодаря расположению на одной микросхеме с процессором этот кэш со­единен с таковым 256-разрядной шиной.

Читатель наверняка задался вопросом: что же все-таки лучше — интегриро­вать кэш второго уровня в микросхему процессора или реализовать его вне тако­вой. Внешний кэш можно сделать большим, но зато он не может соединяться с процессором такой широкой шиной, как внутренний кэш, поскольку для этого потребуется слишком много выводов и увеличится потребление энергии выход­ными повторителями. Кроме того, внешние кэши имеют меньшую тактовую час­тоту. L2-Kэш процессора Katmai работает на вдвое меньшей тактовой частоте, чем процессор, тогда как Coppenmine — на полной тактовой частое процессора. Разме­щение L2-кэша на микросхеме процессора уменьшает время ожидания и увели­чивает полосу пропускания за счет использования боле широкой шины, в резуль­тате чего значительно повышается производительность. Основным недостатком интегрированного кэша второго уровня является увеличение размеров микросхе­мы процессора, затрудняющее ее производство.

Рис. 5.24. Кэши и внешние соединения процессора Pentium III

Кэши процессора Pentium 4

У процессора Pentium 4 может быть до трех уровней кэш-памяти. Кэш-память пер­вого уровня состоит из отдельных кэша команд и кэша данных. Кэш данных емко­стью 8 Кбайт имеет четырехканальную множественно-ассоциативную организа­цию. Размер блока составляет 64 байта. Для записи данных в кэш применяется протокол сквозной записи. Целочисленные данные извлекаются из кэша за два такта. Микросхемы Pentium 4 могут работать на тактовых частотах свыше 1,3 ГГц, то есть для доступа к данным требуется менее 2 нс. В кэше команд содержатся не обычные машинные команды, а их декодированные версии (подробнее об этом рассказывается в разделе 7).

Кэш второго уровня емкостью 256 Кбайт имеет восьмиканальную множест­венно-ассоциативную организацию. Размер его блока составляет 128 байт. Для записи данных применяется протокол обратной записи. Время доступа составля­ет семь тактов.

Оба кэша, L1 и L2, реализованы на микросхеме процессора. Архитектура Pen­tium 4 позволяет добавить в микросхему и кэш L3, однако он используется только в процессорах для серверных систем.