Принцип работы кэш памяти.

Когда процессор пытается прочитать слово расположенное в основной памяти (ПЗУ), он сначала осуществляет поиск его копии в кэш памяти. Если копия существует, обращение к основной памяти не происходит, иначе требуемое слово передается процессору из основной памяти причем при этом параллельно с этим в кэш пересылается блок данных содержащих это слово. Попадание кэш-памяти (когда слово в ней находится) (успешное к нему обращение) (him), если слово в ней не находится (miss).

ОП – основная память

Основная память разбивается на блоки фиксированной длины (размер 1 блока равен k слов). Кэш-память представляет собой совокупность строк, количество которых много меньше чем количество блоков намного меньше чем m – C << M. Строка состоит из 2 полей: поле теге и поля данных. Тег (признак) – служебная информация (как связана кэш-память с основной памятью). Размер поля данных полностью совпадает с размером блока.

Факторы влияющие на эффективность кэш-памяти.

1. Количество уровней кэш.

2. Емкость кэш.

3. Размер строки.

4. Способ отображения основной памяти на кэш-памяти.

5. Алгоритм замещения информации заполненной кэш-памяти.

6. Алгоритм согласования содержимого основной памяти и кэш-памяти.

Емкость кэш. Объем кэш-памяти должен быть достаточно мал (стоимость должна быть близка к основной памяти). Объем кэш-памяти должен быть достаточно велик. В связи с тем что вместительный кэш требует большого количества логических схем для адресации памяти, что снижает скорость, чаще выбирают первый путь. Емкость зависит от характера решаемых задач. Установлено, что для большинства задач, наиболее близким к оптимальным, является объем кэш-памяти от 1 до 512 кб.

Размер строки. Должна быть достаточно велика, чтобы была вероятность попадания в нее. По мере увеличения размера строки, соответственно и блоков на которые мы делим всю память, вероятность промахов сначала падает, а потом начинает расти. Большие размеры строк, уменьшают их количество, что приводит к необходимости частой смены строк.

Способ отображения основной памяти на кэш памяти (способ копирования основной памяти в кэш). Должен отвечать требованиям:

• Быстрая проверка кэш памяти на наличие в ней требуемой копии, реализуемая экономично (в плане задействованных ресурсов).

Быстрое преобразование адреса блока в адрес строки, реализуемая экономично.

41. Кэш-память. Способы отображения оперативной памяти на кэш-память.

Прямое отображение

Не дорогой, и простой

Полностью ассоциируемое отображение. С одним блоком памяти может быть связано более одной строки кэш, те кэшируемый блок может храниться потенциально в местах кэш ( -канальная ассоциативность). Для полностью ассоциативной памяти = количеству строк ( ). Адрес основной памяти рассматривается как состоящий из двух полей: поле тега и поле слова.

При проверке наличие копии требуемого слова в кэш логика управления должна одновременно проверить теги всех строк на совпадение с полем тега в адресе основной памяти нужного слова, те необходимо осуществить перебор всех строк. Выход моно использовать дорогую ассоциативную память, где осуществляется поиск не по адресу а по содержимому, и возвращается адрес.

Частично отображаемая память (частично ассоциативная). Является нечто средним между рассмотренными выше двумя. Кэш-память разбивается на модули (банки) состоящие из определенного количества строк. Отображение блоков на модули – прямое, а на строки в пределах одного модуля – ассоциативное.

Чаще всего количество каналов .

42. Кэш-память.Алгоритм замещения информации заполненной кэш-памяти.

Задача замещения возникает при обращении к слову отсутствующему в кэш при полном его заполнении.

Какую строку заместить	Реализация	Особенности
Любую	Например: счетчиком, который увеличивается на 1 при каждом обращении к строке, независимо от того, промах это или попадания.	Неэффективно, но просто.
Которая редко используется. LFU (по частоте обращений)	Каждой строке привязать счетчик попаданий, замещается строка с наименьшим значением этого счетчика.	Чуть лучше предыдущего
дольше всего находится в кэш. (FIFO)	Используется очередь FIFO, а элементами являются ссылки на строки кэш, удаляем первую в очереди, и помещаем в конец.
наиболее давно использовалась LRU	Существует два способа реализации. 1 очередь FIFO, но при каждом обращении к строке осуществляется перемещение ссылки на нее в конец очереди. 2 счетчик, который считает постоянно (через определенные интервалы времени), а обнуляется при обращении, замещается строка с наибольшим значением счетчика.	Наиболее эффективно и часто используемая.

43. Кэш-память. Алгоритмы согласования содержимого оперативной памяти и кэш-памяти.

Такая задача возникает в результате записи в основную память

согласование
Если центральный процессор записывает в основную память.		Если устройства ввода/вывода записывают данные в основную память (миную центральный процессор).
1) метод сквозной записи	2)метод обратной записи	Позволить доступ устройству ввода/вывода к основной памяти только через кэш	Автоматически изменять содержимое кэш при каждой записи в основную память
(1а) метод буферизированной сквозной записи.	(2а) метод флаговой обратной записи.

1) метод сквозной записи – сначала обновляется слово в основной записи, а затем его копия в кэш. Достоинства оригинал в основной памяти полностью соответствуют копии в кэш, те при замещении строки кэш, его не нужно рисовать в основную память. Недостаток низкая эффективность использования кэш при записи.

1а) (модифицированный 1)сначала обновляется кэш и дополнительно записываемая информация заносится в специальный буфер, а затем основная (но уже через буфер, освобождая центральный процессор). Достоинства повышается эффективность при записи. Недостатки аппаратные затраты и необходимость его своевременного опустошения.

2) Слово записывается только в кэш, но замещаемый блок необходимо предварительно переслать в соответствующее место в основной памяти.

2а) При записи центрального процессора в кэш, устанавливается 1 в специальный флаг для данной строки, пересылка из кэш в основную память осуществляется только при установленном флаге.