Лабораторная работа №6 Исследование типовых структур кэш-памяти Краткая теория
Цель работы. Изучение с помощью простейшей имитационной модели типовых структур и особенностей взаимодействия кэш и оперативной памяти современных вычислительных систем.
Память
— совокупность устройств, служащих для
приема, хранения и выдачи данных в
центральный процессор или внешнюю среду
компьютера. Основные операции с памятью
— запись и чтение.
Организация
памяти имеет сложный характер и строится
по иерархическому принципу. Основная
идея такой иерархии – согласование
скоростей работы операционных устройств,
в первую очередь процессора, с запоминающими
устройствами. Типовая организация
памяти имеет 
вид,
представленный на рис. 6.1, где показаны
диапазоны значений емкости и
производительности устройств памяти
для современных компьютеров.
Кэш-память разбивается на строки по 32 байта, соответствующие одному стандартному пакетному циклу обращения к динамической памяти. На такие же строки условно разделяются и страницы основной памяти. Обмен информацией между ними осуществляется строками, даже если необходимо передать только один байт.
Процессор, выполняя команду, запрашивает операнд по некоторому адресу в адресном пространстве. Кэш-контроллер проверяет, есть ли в кэш-памяти строка данных, соответствующая запрашиваемому адресу. В случае наличия такой строки ситуация называется кэш-попадание. Если строки в кэш-памяти нет, то происходит кэш-промах, и кэш-контроллер инициирует обращение к основной памяти ОП для переписи из нее нужной строки в кэш-память.
Регистровая память или регистровый файл изготавливается в кристалле процессора по такой же технологии и имеет такое же быстродействие, как и операционные элементы процессора. Кэш-память первого уровня также выполняется внутри процессора, что дает возможность обращения к командам и данным с тактовой частотой работы процессора. Во многих современных моделях процессоров кэш-память второго уровня интегрирована в ядро процессора или на его картридж. При этом возможна организация кэш-памяти третьего уровня, выполненной на отдельной микросхеме с высоким быстродействием.
Организация кэш-памяти
О
сновная
задача кэш-памяти – согласование работы
быстрого процессора и медленной основной
памяти. Кэш-память исполняет роль буфера
между ОП и процессором (рис. 6.2).
Использование кэш-памяти базируется
на «принципе локальности ссылок». Это
означает, что следующее обращение к
памяти в программе с большой вероятностью
произойдет к тому же блоку данных,
который находится в данный момент в
кэш-памяти.
В связи с этим возникает проблема замены какой-либо строки в кэше на новую строку из ОП. Для этого используют специальные дисциплины замещения строк. Эти функции выполняет кэш-контроллер.
В современных вычислительных системах используются три типа организации кэш-памяти:
с прямым отображением;
полностью ассоциативная;
множественно-ассоциативная.
1. Кэш-память с прямым отображением
Каждая строка кэш-памяти может содержать строку основной памяти только из определенного подмножества адресов, причем эти подмножества не пересекаются. Поиск состоит из следующих шагов:
определение, в какое из подмножеств адресов основной памяти попадает адрес строки, выработанный процессором;
обращение к единственной соответствующей строке и сравнение ее тега с адресом от центрального процессора для определения, является ли эта строка искомой.
На рис. 6.3. приведен пример структуры кэш-памяти с прямым отображением. Для простоты дана структура ОП, содержащей 16 строк данных, и кэш-память объемом в четыре строки. Все строки основной памяти, имеющие S одинаковых младших разрядов, объединяются в подмножества, которые могут отображаться в кэше в строке с индексом, равным коду этих разрядов. В нашем примере индекс образуют два младших разряда. Следовательно, например, строки 1, 5, 9 и 13 могут находиться только в строке кэша с индексом 01 и ни в какой другой.
В общем случае, если разрядность адреса ОП равна N, а разрядность индекса – n, то адресные теги содержат оставшиеся N-n разрядов адреса строки.
Преимущество описываемой кэш-памяти в простоте организации и низкой стоимости. Основной недостаток - ограниченное число комбинаций строк в кэше, что приводит к увеличению процента кэш-промахов. Например, строки 5 и 9 не могут одновременно находиться в кэш-памяти, даже если есть свободные места для других индексов.