programmig [1 term] / OS / Буфер памяти

Буфер (информатика)

[править | править исходный текст]Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 30 октября 2011; проверки требуют 4 правки.

Question book-4.svg

В этой статье не хватает ссылок на источники информации.

Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.

Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.

Эта отметка установлена 13 мая 2011.

У этого термина существуют и другие значения, см. буфер.

В информатике буфер (англ. buffer) — это область памяти, используемая для временного хранения данных при вводе или выводе. Обмен данными (ввод и вывод) может происходить как с внешними устройствами, так и с процессами в пределах компьютера. Буферы могут быть реализованы в аппаратном или программном обеспечении, но подавляющее большинство буферов реализуется в программном обеспечении. Буферы используются когда существует разница между скоростью получения данных и скоростью их обработки, или в случае когда эти скорости переменны, например, при буферизации печати.

Буфер и кэш[править | править исходный текст]

Эти термины не являются взаимоисключающими, и их функции часто смешиваются, но существует различие в их предназначении. Буфер — временное хранилище, где большие блоки данных сливаются или разбиваются на части. Это необходимо для взаимодействия с запоминающим устройством, которое работает с большими блоками данных, или когда данные передаются в другом порядке чем тот, в котором они формируются, и лишь желательно — в том случае, когда использование мелких блоков неэффективно. Использование буфера приносит пользу, даже если буферизуемые данные пишутся в буфер и читаются из него однократно.

В свою очередь, использование кэша предполагает, что данные будут читаться из кэша чаще, чем записываться туда. Его назначение — уменьшить число обращений к запоминающему устройству, а не сделать их более эффективными.

Бу́фер обме́на (англ. clipboard) — промежуточное хранилище данных, предоставляемое программным обеспечением и предназначенное для переноса или копирования между приложениями или частями одного приложения через операции вырезать, скопировать, вставить.

Как правило, приложения используют буфер обмена, предоставляемый операционной системой или другой средой через определённый интерфейс. Некоторые приложения могут использовать свой собственный буфер обмена, доступный только в них.

Приложение может записывать в буфер обмена одну и ту же информацию одновременно в нескольких различных форматах. Наиболее информативный формат помещается первым, за ним остальные по убыванию информативности. При вставке информации из буфера обмена обычно используется первый распознанный приложением формат, который будет наиболее информативен для данного приложения. Например, если текстовый процессор копирует в буфер обмена текст: в формате RTF, в виде рисунка WMF и в виде текста без форматирования, этот текст может быть вставлен в другой текстовый процессор с сохранением разметки, в графический редактор — рисунком и в простой текстовый редактор — неформатированным текстом. Операционная система может производить некоторые преобразования форматов информации, если запрошенный формат отсутствует в буфере обмена, но может быть получен из имеющегося, например, изменять кодировку текста. [1]

Вставить объект из буфера обмена можно неограниченное число раз. При копировании информации в буфер его предыдущее содержимое, как правило, пропадает. Однако существуют реализации буфера обмена (например, в пакете Microsoft Office), позволяющие хранить в буфере одновременно несколько объектов и выбирать при вставке, который из объектов вставить.

Кэш[1][2][3] или кеш[4][5][6] (англ. cache, от фр. cacher — «прятать»; произносится [kæʃ] — «кэш») — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше осуществляется быстрее, чем выборка исходных данных из более медленной памяти или удаленного источника, однако её объем существенно ограничен по сравнению с хранилищем исходных данных.

Функционирование[править | править исходный текст]

Диаграмма кэша памяти ЦПУ

Кэш — это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее «основная память»). Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами, веб-серверами, службами DNS и WINS.

Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.

Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдена запись, содержащая затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становится доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.

Например, веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы, соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL — это идентификатор, а содержимое веб-страницы — это элементы данных.

Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения.

При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.

В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.

В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный»). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.

В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.

Аппаратная реализация[править | править исходный текст]

Кэш центрального процессора[править | править исходный текст]

Основная статья: Кэш процессора

В связи с ростом частоты, на которой функционируют процессоры, и повышением производительности подсистемы оперативной памяти (ОЗУ), узким местом вычислительной системы стал интерфейс передачи данных.

Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности в случае, когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты процессора. Ряд моделей процессоров обладают собственным кэшем для минимизации времени доступа к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленнее, чем регистры (эти регистры и буферы ввода-вывода могут считаться кэшем нулевого уровня). Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты ЦП.

В процессорах с поддержкой виртуальной адресации часто вводят небольшой быстродействующий буфер трансляций адресов (TLB). Его скорость важна, так как он опрашивается на каждом обращении в память.

Проблема синхронизации между различными кэшами (как одного, так и множества процессоров) решается когерентностью кэша.

Существует три варианта обмена информацией между кэш-памятью различных уровней, или, как говорят, кэш-архитектуры: инклюзивная, эксклюзивная и неэксклюзивная.

Эксклюзивная кэш-память предполагает уникальность информации, находящейся в различных уровнях кэша (предпочитает фирма AMD).

В неэксклюзивной кэши могут вести себя как угодно.

Уровни кэша[править | править исходный текст]

Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. Максимальное количество кэшей — четыре. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать трёх. Кэш-память уровня N+1, как правило, больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N.

Самым быстрым является кэш первого уровня — L1 cache (level 1 cache). По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. В современных процессорах обычно L1 разделен на два кэша — кэш команд (инструкций) и кэш данных (Гарвардская архитектура). Большинство процессоров без L1 не могут функционировать. L1 работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно.

Вторым по быстродействию является кэш второго уровня — L2 cache, который обычно, как и L1, расположен на одном кристалле с процессором. В ранних версиях процессоров L2 реализован в виде отдельного набора микросхем памяти на материнской плате. Объём L2 от 128 кбайт до 1−12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в nM Мбайт на каждое ядро приходится по nM/nC Мбайта, где nC — количество ядер процессора.

Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень большим — более 24 Мбайт. L3 медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации данных различных L2.

Существует четвёртый уровень кэша, применение которого оправдано только для многопроцессорных высокопроизводительных серверов и мейнфреймов. Обычно он реализован отдельной микросхемой.

Кэширование, выполняемое операционной системой[править | править исходный текст]

Кэш оперативной памяти состоит из следующих элементов:

набор страниц оперативной памяти, разделённых на буферы, равные по длине блоку данных соответствующего устройства внешней памяти;

набор заголовков буферов, описывающих состояние соответствующего буфера;

хеш-таблицы, содержащей соответствие номера блока заголовку;

списки свободных буферов.