06.10.2011 Кэш-память
Кэш-память (1965 г., Уилксон)
Для согласования работы центрального процессора и основной памяти было предложено использовать двухуровневую память когда между основной памятью и процессором размещается небольшая, но быстродействующая буферная память. В процессе работы такой системы в буферную память копируются те участки ОП, к котором производится обращение со стороны ЦП, т.е. производится отображение участков ОП на буферную память. Буферную память принято называть КЭШ-памятью.
Если необходимая информация находится в кэш-памяти то данную ситуацию приняты называть попаданием.
При отсутствии слева в кэш-памяти (т.е. промахе) требуемое слева передается в ЦП из основной памяти, но одновременно из ОП в кэш-память пересылается блок данных, содержащий это слово.
Рисунок 13 Оперативная память
Рисунок 14 Кэш-память
ОП состоит из 2n адресуемых слов, где каждое слово имеет уникальный n-разрядный адрес. При взаимодействии с кэшем основная память рассматривается как m блоков фиксированной длины по k слов. Кэш-память состоит изс блоков аналогичного размера. Блоки в кэш-памяти принято называть строками. При считывании слева из какого-либо блока ОП этот блок копируется в одну из строк кэша. Тэг – признак, содержащий сведения о том, копия какого блока основной памяти в данный момент хранится в строке кэша. В качестве тэга обычно используется часть адреса ОП.
Ёмкость кэш-памяти должна быть достаточно большой, чтобы среднее время доступа к системе, состоящей из основной и кэш-памяти, определялось скоростью кэш-памяти.
При выборе размера строки кэш-памяти необходимо учитывать следующие факторы:
По мере увеличения размера строки вероятность промахов сначала падает, т.к. в кэш, согласно принципу локальности, попадает все больше данных, которые понадобятся в ближайшее время;
Вероятность промахов начинает расти, когда размер строки становится излишне большим, т.к. большие размеры строки уменьшает общее число строк в кэш-памяти, а малое число строк приводит к необходимости их частей смены;
Кроме этого, по мере увеличения размера строки каждое дополнительное слово оказывается дальше отзапрошенного, поэтому такое слово менее вероятно понадобится в ближайшем будущем;
Способы отображения ОП на кэш-память.
Способ отображения ОП на кэш-память должен обеспечивать быструю проверку кэш-памяти на наличие в ней копии блока ОП и быстрое преобразование адреса блока ОП в адрес строки кэша.
Рассмотрим 3 способа отображения: прямое, полностью ассоциативное, множественно-ассоциативное.
При прямом отображении в строку кэш-памяти могут быть отображены только определенные блоки основной памяти;
Полностью ассоциативное отображение разрешает загрузку любого блока ОП в любую строку кэш-памяти. Логика управления кэш-памятью выделяет в адресе ОП два поля: поле тэга и поле слова. Поле тэга совпадает с адресом блока ОП. Для проверки наличия копии блока в кэш-памяти логика управления кэшем должна одновременно проверить тэги всех строк на совпадение с тэгом адреса;
Множественно-ассоциативное отображение. Кэщ-память разбивается на подмножество (модули), каждое из которых содержитk строк. Зависимость между модулями и блоками ОП такая же как и в прямом отображении На строки, входящие в модуль, могут быть отображены только определенные блоки ОП. Расположение блоков в модуле произвольное. Для поиск используются ассоциативные функции.