8.5. Кеш- пам'ять
Процесори завжди працювали швидше ніж пам'ять. Удосконалення процесорів іде в основному шляхом підвищення їх швидкодії, в той час, коли удосконалення пам’яті зазвичай направлено перш за все на збільшення її об’єму. На практиці така невідповідність в швидкості приводить до того, що при безпосередній взаємодії швидкого процесора з повільною пам’яттю, процесор при кожному звертанні до пам’яті простоює, в результаті чого знижується загальна ефективність комп’ютера.
Кэш-память запоминает копии информации, передаваемой между устройствами
(прежде всего между процессором и основной памятью). Она имеет
небольшую емкость в сравнении с основной памятью и более высокое быстродействие (реализуется на триггерных элементах памяти).
При чтении данных сначала выполняется обращение к кэш-памяти (рис. 4.8). Если в кэше имеется копия данных адресованной ячейки основной
памяти, то кэш вырабатывает сигнал Hit (попадание) и выдает данные
на общую шину данных. В противном случае сигнал Hit не вырабатывается
и выполняется чтение из основной памяти и одновременное помещение
считанных данных в кэш.
Эффективность кэширования обуславливается тем, что большинство прикладных программ имеют циклический характер и многократно используют
одни и те же данные. Поэтому после первого использования данных из относительно медленной основной памяти повторные обращения требуют
меньше времени. К тому же при использовании процессором кэш-памяти
основная память освобождается, и могут выполняться регенерация данных в
динамическом ЗУ или использование памяти другими устройствами.
Объем кэш-памяти много меньше емкости основной памяти и любая единица информации, помещаемая в кэш, должна сопровождаться дополнительными данными (тегом), определяющими, копией содержания какой
ячейки основной памяти является эта единица информации.
В ассоциативной кэш-памяти, структура которой показана на рис. 4.9, каждая ячейка хранит данные, а в поле "тег" — полный физический адрес информации, копия которой записана. При любых обменах физический адрес запрашиваемой информации сравнивается с полями "тег" всех ячеек и при совпадении их в
любой ячейке устанавливается сигнал Hit.
При чтении и значении сигнала Hit = 1 данные выдаются на шину данных,
если же совпадений нет (Hit = 0), то при чтении из основной памяти данные
вместе с адресом помещаются в свободную или наиболее давно не спользуемую
ячейку кэш-памяти.
Для уникнення цього недоліку використовується проміжна високошвидкісна пам'ять, як буфер між процесором і оперативною пам’яттю. Ця пам'ять відносно невеликого об’єму називається кеш-пам’яттю ( cache ). Вона побудована на тригерах (SRAM) і має час доступу не більш 2 нсек. Об’єм кеш-пам'яті порівняно невеликий – в межах 512 КВ, але в останніх моделях – 1ГВ і більше.
Ідея кеш-пам’яті проста: в цю пам’ять заздалегідь записуються дані, які будуть використані в поточному циклі роботи процесора. Якщо цих даних достатньо, то можна досягти синхронної роботи процесора і пам’яті. Ефективність кеш-пам’яті відображається коефіцієнтом збігу, чи успішності, який дорівнює відношенню вдалих звернень до кеш-пам’яті до загального числа звернень до пам’яті.
В перших спробах використання кеш-пам’яті в ній збереглися як дані, так і програми. Але в поточному часі існує тенденція використання розподіленої кеш-пам’яті, коли для даних і команд існують різні кеш-пам’яті. Розподілена кеш-пам’ять дозволяє здійснювати паралельний доступ до команд і операндів, що необхідно при організації конвеєрних архітектур в процесорах.
Щоб мінімізувати час доступу до інформації, в сучасних персональних комп’ютерах передбачено декілька рівнів кеш-пам’яті: перший(L1), другий (L2) та іноді третій (L3). Кеш L1 розташована прямо в корпусі процесора, кеш L2 і L3 розташована на системній платі поблизу від процесора.
Треба зауважити, що кеш-пам’ять використовується не обов’язково тільки при обслуговування процесора. Вона часто використовується також при обміні даними з другими швидкодіючими пристроями, наприклад, з вінчестерами.