4.3.2. Способы размещения данных в кэш-памяти
Существует четыре способа размещения данных в кэш-памяти: прямое распределение, полностью ассоциативное распределение, частично ассоциативное распределение и распределение секторов. Ниже подробно описан каждый способ размещения и его механизм преобразования адресов. Для того, чтобы конкретизировать описание, положим, что кэш-память может содержать 128 строк, размер строки – 16 слов, а основная память может содержать 16384 строк. Для адресации основной памяти используется 18 бит.
Из них старшие 14 показывают адрес строки, а младшие 4 бит — адрес слова внутри этой строки. При одном обращении к памяти выбирается одна строка. 128 строк кэш-памяти указываются 7-разрядными адресами.
Прямое распределение
При прямом распределении место хранения строк в кэш-памяти однозначно определяется по адресу строки.
Структура кэш-памяти показана на рис. 4.5.
Адрес основной памяти состоит из 14-разрядного адреса строки и 4-разрядного адреса слова внутри этой строки. Адрес строки подразделяется на тег (старшие 7 бит) и индекс (младшие 7 бит).
Для того, чтобы поместить в кэш-память строку из основной памяти с адресом bn, выбирается область внутри кэш-памяти с адресом bc, который равен 7 младшим битам адреса строки bn. Преобразование из bn в bc сводится только к выборке младших 7 бит адреса строки. По адресу bc в кэш-памяти может быть помещена любая из 128 строк основной памяти, имеющих адрес, 7 младших битов которого равны адресу bc. Для того чтобы определить, какая именно строка хранится в данное время в кэш-памяти, используется память ёмкостью 7 бит x 128 слов, в которую помещается по соответствующему адресу в качестве тега 7 старших битов адреса строки, хранящейся в данное время по адресу bc кэш-памяти. Это специальная память, называемая теговой памятью. Память, в которой хранятся строки, помещенные в кэш, называются памятью данных. В качестве адреса теговой памяти используются младшие 7 битов адреса строки.
Из теговой памяти считывается тег. Параллельно этому осуществляется доступ к памяти данных с помощью 11 младших битов адреса основной памяти (используется 7 разрядов индекса и 4 разряда адреса слова внутри строки). Если считанный из теговой памяти тег и старшие 7 бит адреса основной памяти совпадают, то это означает, что данная строка существует в памяти данных, т.е. осуществляется кэш-попадание.
Если тег отличается от старших 7 бит (кэш-промах), то из основной памяти считывается соответствующая строка, а из кэш-памяти удаляется строка, определяемая 7 младшими разрядами адреса строки, и на его место помещается строка, считанная из основной памяти. Осуществляется также обновление соответствующего тега в теговой памяти.
Способ прямого распределения реализовать довольно просто, однако из-за того, что место хранения строки в кэш-памяти однозначно определяется по адресу строки, вероятность сосредоточения областей хранения строк в некоторой части кэш-памяти высока, т.е. замены строк будут происходить довольно часто. В такой ситуации эффективность кэш-памяти заметно снижается.