10_10_10_Сокращение потерь на выполнение команд переходов и минимизация конфликтов по

управлению

Конфликт по управлению является самым затратным видом конфликтов. Существует следующие

виды борьбы с конфликтами по управлению:

· Статические

Прогнозирование направления перехода фиксируется для каждой команды условного перехода на

все время выполнения программы, то есть могут быть использованы на уровне компилятора.

· Динамические

Схемы прогнозирования реализуются аппаратно.

Метод ожидания (статический)

Как только обнаруживается команда условного перехода, конвейер останавливается, пока она не

достигнет ступени, которая вычисляет новое значение счетчика программы.

Метод возврата (статический)

Состоит в том, чтобы прогнозировать условный переход как невыполнимый. В этом случае аппаратура процессора продолжает выполнение команды, как будто команды условного перехода

не было. Однако если условный переход оказывается выполнимым, то конвейер очищается и заново производится выборка команд.

Метод задержанных переходов (статический)

Идея метода заключатся в том, что между моментом загрузки команды условного перехода и собственно переходом по выбранной ветке в конвейер загружаются команды, не связанные с выполнением команды условного перехода.

_

Простейший способ динамического предсказания условных переходов, заключается в том, что процессор фиксирует результат выполнения предыдущих команд ветвления по данному адресу, и считает, что следующая команда с обращением по данному адресу даст аналогичный результат. Для реализации этого способа используется специальная память. Эффективность данного способа

зависит от объема памяти. Вероятность предсказания может достигать 80%. Для повышения вероятности правильного предсказания используют алгоритмы, накапливающие и анализирующие

статистику условного перехода по данному адресу, тогда вероятность правильного предсказания

повышается до 90-95%.

11_11_11_Классификация систем памяти по скорости обмена с алу. Принципы организации кэш-

памяти

Сверх Оперативное ЗУ (СОЗУ) -

совокупность регистров общего назначения.

Внутренняя кеш-память – представляет

собой статическое ОЗУ относительно

небольшого объема, но на порядок большего,

чем СОЗУ.

Внешняя кеш-память – так же как и

внутренняя является статической ОЗУ, но

куда большего объем, чем внутренняя кеш-

память и работает на частоте шины.

ОЗУ - бывает динамическая и статическая.,

имеет большой объем.

ПЗУ - используется для хранения констант и программ загрузки.

ВЗУ - реализуется внешними накопителями, со сменными или постоянными носителями памяти.

В основу работы кэш-памяти легли 2 принципа – принцип временной локальности и принцип

пространственной локальности.

Принцип временной локальности заключается в том, что при считывании данных из памяти

существует высокая вероятность того, что программа снова обратиться к этим данным в течение

некоторого небольшого интервала времени.

Принцип пространственной локальности основывается на том, что есть высокая вероятность

того, что программа обратиться к нескольким последовательно расположенным ячейкам памяти.

· Кеш с прямым отображением

Емкость ОЗУ разбиваем на 64К равных частей (по 64 Кб). Блок данных размером 4 байт

записывается в одну 32-х разрядную строку кеша. Кеш отводит по одной строке под каждый из

этих блоков. Сама кеш состоит из 2-х частей память данных и память признаков. В памяти

признаков хранятся старшие 16 разрядов адреса. При считывании процессором данных из памяти

происходит обращение к кеш и сравнение старших 16 разрядов с признаком, если эти величины

совпадают, то в кеш находятся необходимые данные. Если нет, то происходит перезагрузка кеш

(высокое быстродействие, нельзя записать в строку любой блок).

· Полностью ассоциативная кеш

В данном случае данные из любого блока ОЗУ могут быть помещены в любую строку кеш памяти.

Недостаток: увеличивается время обработки запросов из-за необходимости многократного

сравнения 30-х разрядных адресов и признаков.

· Множественная ассоциативная кеш

Строки этой кеш объединяются в группы по 2, 4 и более строк.

При использовании кеш может нарушаться целостность данных, то есть содержимое кеш не будет

соответствовать содержимому ОЗУ. Способы решения: одновременно записывать данные и в кеш

и в ОЗУ, данные в ОЗУ записываются только если содержимое кеш изменилось.

12_12_12_ Принципы организации кэш-памяти. Способы отображения данных из ОЗУ в кэш-память Принцип временной локальности заключается в том, что су-

ществует высокая вероятность того, что при считывании данных из

памяти программа обратится к этим данным в течение некоторого

небольшого интервала времени несколько раз.

Принцип пространственной локальности состоит в том, что

есть высокая вероятность того, что программа обратится к несколь-

ким последовательно расположенным ячейкам памяти. При обращении процессора к памяти прежде всего проверяет-

ся наличие необходимых данных в кэш-памяти, если их нет, то эти

данные переписываются из ОЗУ.

В общем случае кэш-память работает следующим образом. Когда

процессор пытается прочитать слово из основной памяти, осуществ-

ляется поиск копии этого слова в кэш-памяти. Если копия обнаруже-

на, то обращение к основной памяти не производится, а в процессор

передается слово, полученное из кэш-памяти. Данную ситуацию при-

нято называть успешным обращением, или попаданием (hit). При

отсутствии слова в кэш-памяти, или промахе (miss) требуемое слово

передается в процессор из основной памяти, но одновременно из ос-

новной памяти в кэш-память пересылается блок данных, содержащий

это слово, для использования принципа временной локальности.

По способу отображения информации из основной памяти в кэш-

память различают следующие типы кэш-памяти:

∙ с прямым отображением;

∙ полностью ассоциативная;

∙ множественно-ассоциативная. Кэш-память с прямым отображением (рис. 3.2.2) является наи-

более простым типом кэш-памяти. Основная память делится на блоки

размером соответствующим размеру строк кэш-памяти, и представля-

ется в виде двумерного массива, в котором число строк равно числу

строк кэш-памяти.

13_13_13_Режимы прямого доступа к памяти. Структуры контроллеров ПДП Режим прямого доступа к памяти (ПДП, или DMA — Direct

Memory Access) используется, если необходимо произвести пересыл-

ку значительного массива данных между ОЗУ и каким-либо внешним

устройством. Обменом информацией в режиме ПДП управляет не программа,

выполняемая процессором, а электронные схемы, внешние по отноше-

нию к ядру процессора. Обычно схемы, управляющие обменом дан-

ными в режиме ПДП, размещаются или в специальном контроллере,

который называется контроллером прямого доступа к памяти, или

в контроллере самого внешнего устройства.

Обмен данными в режиме ПДП позволяет использовать в мик-

ропроцессорном устройстве быстродействующие внешние запомина-

ющие устройства, Для реализации режима ПДП необходимо обеспечить непосред-

ственную связь контроллера ПДП и памяти микропроцессорного уст-

ройства. Для этой цели можно было бы использовать специально

выделенные шины адреса и данных, связывающие контроллер ПДП

с основной памятью, но такое решение приведет к значительному

усложнению устройства в целом, особенно при подключении несколь-

ких внешних запоминающих устройств. Для сокращения количества

линий в шинах микропроцессорного устройства контроллер ПДП под-

ключается к памяти посредством уже имеющегося системного интер-

фейса. При этом возникает проблема совместного использования шин

системного интерфейса процессором и контроллером ПДП. Можно

выделить два основных способа ее решения: реализация обмена в

режиме ПДП с захватом цикла и с блокировкой процессора.

Существуют две разновидности ПДП с захватом цикла:

1) применяющий шину данных в те моменты, когда процессор ее

не использует;

2) применяющий дополнительные управляющие сигналы контро-

ля обмена данными.

Первый способ организации ПДП состоит в том, что для обмена

используются те машинные циклы процессора, в которых он не об-

менивается данными с памятью. В такие циклы контроллер ПДП

может обмениваться данными с памятью, не мешая работе процессо-

ра. Однако возникает необходимость выделения таких циклов, что-

бы не произошло временного перекрытия обмена ПДП с обменом,

инициируемым процессором. Второй способ организации ПДП с захватом цикла — прину-

дительное отключение процессора от шин системного интерфейса.

В этом случае системный интерфейс микропроцессорной системы до-

полняется двумя линиями для передачи управляющих сигналов за-

проса прямого доступа к памяти (ЗПДП) и разрешения прямого до-

ступа к памяти (РПДП). Наиболее распространенным является обмен в режиме ПДП с

блокировкой процессора. называется взрывным (burst). Когда контроллер ПДП работает

в этом режиме, он сохраняет контроль над шиной памяти в течение

всего процесса передачи данных. Недостатком такого режима явля-

ется то, что МП не может работать с шиной памяти, пока контрол-

лер ПДП не завершит передачу данных. Режим ПДП с блокировкой процессора используется наиболее

часто, хотя большинство контроллеров ПДП могут работать в раз-

личных режимах. 14_14_14_ Принципы функционирования виртуальной памяти виртуальной памяти, под которой понимается автоматическое управле-

ние иерархической памятью, при котором программист имеет дело с

единой памятью большой емкости и высокого быстродействия. По сво-

ей сути виртуализация памяти представляет собой способ аппаратно-

программной реализации концепции иерархической памяти.

Основная память представляет собой линейное пространство из

𝑁 адресов и является физическим пространством памяти. Если по-

является задача, требующая более 𝑁 ячеек, то в рамках идеи вир-

туализации памяти предоставляется значительно большее адресное

пространство, обычно равное общей емкости всех видов памяти и на-

зываемое виртуальным пространством.

Адреса виртуального пространства называют виртуальными, а

адреса физического пространства — физическими. Среди систем виртуальной памяти можно выделить два класса:

системы с фиксированным размером блоков (страничная организация)

и системы с переменным размером блоков (сегментная организация). Страничная организация виртуальной памяти

Суть страничной организации виртуальной памяти заключа-

ется в следующем: все адресное пространство, включая ОП и ВЗУ,

разделяется на одинаковые по размеру части (кратные степени двой-

ки), называемые страничными кадрами, или фрэймами (page frame).

Выполняемые программы делятся на блоки такого же размера, т. е.

постранично. Страницам виртуальной и физической памяти присваи-

вают номера (адрес).

Для получения данных из памяти процессор посылает устройству

управления памятью виртуальный адрес ячейки, состоящий из номера

виртуальной страницы и смещения относительно ее начала, с целью

преобразования его в физический адрес. Поскольку смещения в вир-

туальном и физическом адресах одинаковы, преобразованию подвер-

гается лишь номер страницы. Если система преобразования адресов

обнаруживает, что необходимая физическая страница отсутствует в

ОП (т. е. произошел промах или страничный сбой), то нужная стра-

ница считывается из внешней памяти в ОП.