Материалы

КЭШ-память

Рейтинг:   / 0
ПлохоОтлично 

Как уже отмечалось, в качестве элементной базы основной памяти в большинстве ЭВМ служат микросхемы динамических ОЗУ, на порядок уступающие по быстродействию центральному процессору. В результате процессор вынужден простаивать несколько тактовых периодов. Если ОЗУ выполнить на быстрых микросхемах статической памяти, стоимость ЭВМ возрастет весьма существенно. Экономически приемлемое решение этой проблемы было предложено М. Уилксом в 1965 году в процессе разработки ЭВМ Atlas. Заключается оно в использовании двухуровневой памяти, когда между ОЗУ и процессором размещается небольшая, но быстродействующая буферная память. В процессе работы такой системы в буферную память копируются участки ОЗУ, к которым производится обращение со стороны процессора. Выигрыш достигается за счет ранее рассмотренного свойства локальности. Уилкс называл рассматриваемую буферную память подчиненной (slave). Позже распространение получил термин КЭШ-память (от английского слова cache - “убежище, тайник”), поскольку такая память обычно скрыта от программиста в том смысле, что он не может ее адресовать и может даже вообще не знать о ее существовании. Впервые КЭШ- системы появились в машинах ceмейства IВM 360.

В общем виде использование КЭШ-памяти поясним следующим образом. Когда ЦП пытается прочитать слово из основной памяти, сначала осуществляется поиск копии этого слова в КЭШе. Если такая копия существует, обращение к ОП не производится, а в ЦП передается слово, извлеченное из КЭШ-памяти. Данную ситуацию принято называть успешным обращением или попаданием (hit). При отсутствии слова в КЭШе, то есть при неуспешном обращении - промахе (miss), требуемое слово передается в ЦП из основной памяти, но одновременно из 0П в КЭШ-память пересылается блок данных, содержащий это слово. Выигрыш в скорости при использовании КЭШ получается только в том случае, если перенесенные один раз в КЭШ фрагменты затем используются многократно. Причем, целесообразно помещать в КЭШ одновременно несколько разных участков ОЗУ, так как процессор одновременно работает с разными адресами, например, программой и данными. Согласно описанной выше локальности (локальной серийности), достаточно в КЭШ помещать 10 часть объема программы, чтобы 90% времени процессор работал с КЭШ.

КЭШ-память в вычислительной системе оказывается "двойником" участков основной памяти с адресной организацией. При обращении к основной памяти формируется физический адрес, размер которого соответствует разрядности адресной шины (реальный объем физической памяти обычно меньше, а размер КЭШа в 20…100 раз меньше объема основной памяти). Как в этих условиях схемотехника управления памятью может "понять", что элемент, к которому происходит обращение, находится в КЭШе? КЭШ представляет собой ассоциативную память.

При наличии КЭШ-памяти адресуемый объект может существовать в нескольких экземплярах.

В двухпроцессорной системе с двухуровневым КЭШем, выполняющей самомодифицируемую программу (т.е. программу, изменяющую собственные команды), один и тот же фрагмент кода может существовать в 9 экземплярах:

 

  • 1) в основном ОЗУ,
  • 2) и 3) в КЭШах второго уровня двух процессоров,
  • 4) и 5) в КЭШах команд первого уровня обоих процессоров,
  • 6) и 7) в КЭШах данных первого уровня обоих процессоров,
  • 8) и 9) в буферах предвыборки обоих процессоров).

При записи результата операции в КЭШ может оказаться, что содержимое КЭШа и соответствующего элемента ОЗУ становится различным (нарушение когерентности памяти). Другой bus-master может в такой ситуации считать недействительные (старые) данные. Такая ситуации недопустима. Для обеспечения когерентности используется механизм отслеживания достоверности строк КЭШа и объявления содержимого этих строк недостоверным в случае нарушения когерентности. После этого данными из КЭШа пользоваться нельзя, и потребуется обращение к основной памяти для замены значения на обновленное.

На эффективность применения КЭШ-памяти в иерархической системе памяти влияет целый ряд моментов. К наиболее существенным из них можно отнести:

  • емкость КЭШ-памяти;
  • размер строки;
  • способ отображения основной памяти на КЭШ-память;
  • алгоритм замещения информации в заполненной КЭШ-памяти;
  • алгоритм согласования содержимого основной и КЭШ-памяти;
  • число уровней КЭШ-памяти.
Яндекс.Метрика