10.Память «кэш» -назначение, основные структуры.

Кэш-память — это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором компьютера для временного хранения информации. Она увеличивает производительность, поскольку хранит наиболее часто используемые данные и команды «ближе» к процессору, откуда их можно быстрее получить

Кэш-память напрямую влияет на скорость вычислений и помогает процессору работать с более равномерной загрузкой.

Компьютеры хранят данные в аналогичной иерархии. Когда приложение начинает работать, данные и команды переносятся с медленного жесткого диска в оперативную память произвольного доступа (Dynamic Random Access Memory — DRAM), откуда процессор может быстро их получить. Оперативная память выполняет роль кэша для жесткого диска.

  Назначение кэш-памяти?

КЭШ память представляет собой: организованное в виде Ассоциативно Запоминающего Устройства (АЗУ) быстродействующую буферную память, которая располагается между регистрами МП и относительно медленной оперативной памятью и хранит наиболее часто используемую информацию, совместно с её признаками (Тэгами), в качестве которых выступает часть адресного кода.

Кэш-память

Один из способов повышения скорости обращения к памяти компьютера называется кэшированием (cashing). Этот метод управления памятью основан на предположении, что большинство обращений к памяти выполняется в пределах ограниченного блока адресов. Следовательно, если бы содержимое этих адресов было перемещено в специальный раздел быстродействующего динамического ОЗУ, микропроцессор мог бы обращаться к этим ячейкам без каких-либо задержек.

Обычно размер кэш-памяти невелик, чтобы стоимость системы оставалась максимально низкой. Однако, одновременно эта память является исключительно быстродействующей, даже по сравнению с устройствами динамического ОЗУ.

Операции с кэш-памятью требуют, чтобы достаточно «интеллектуальное» устройство эффективно отслеживало и управляло работой кэша. Схема контроллера кэшпамяти должна отслеживать инструкции обращения к памяти микропроцессора, чтобы определять, хранятся ли указанные данные в кэше. Если информация находится в кэш-памяти, управляющая схема может предоставить ее микропроцессору без каких-либо задержек. Эта ситуация называется попаданием (hit). Если информация отсутствует в кэше, обращение переадресуется в ОЗУ системы и объявляется промах (miss).

Первоочередная задача системы управления кэш-памятью — максимизация отношения попаданий к общему числу обращений (коэффициента попаданий — hit rate), чтобы основная масса обращений к памяти выполнялось без задержек на ожидание. Один из способов достижения этого — максимальное увеличение размера кэшпамяти (и тем самым повышение вероятности того, что требуемая информация находится в кэше). Однако, относительная стоимость, энергопотребление и физические размеры устройств статического ОЗУ препятствуют использованию упомянутого подхода. На практике размеры кэш-памяти лежат в пределах от 16 до 512 Кб.

Существуют два основных способа записи обновленной информации в кэш-память. Первый — одновременная запись данных в кэш и в основную память. Этот метод называется сквозной записью в кэш (write-thru cache). Как правило, этот метод оказывается медленным, поскольку микропроцессор вынужден дожидаться завершения обращения к медленно работающему динамическому ОЗУ. Второй метод известен под названием кэша с обратной записью (write-back cache). Этот кэш хранит данные до тех пор, пока у системы не окажется достаточно времени для записи данных в основную память.

Системы Intel Pentium имеют встроенный кэш первого уровня, который может использоваться для хранения как инструкций, так и данных. Внутренний кэш делится на четыре блока по 2 Кб, каждый из которых содержит 128 наборов 16-байтовых строк. Управление внутренним кэшем выполняется непосредственно микропроцессором. Кэш первого уровня называют также кэшем LL Однако во многих системных платах возможности кэширования микропроцессора расширяются за счет добавления внешней кэш-памяти второго уровня объемом 256/512 Кб. Подобно кэшу L1, кэш второго уровня называется также кэшем L2.