Назначение и логика работы кэш-памяти, факторы, влияющие на эффективность ее использования. 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.
Количество уровней кэш.
Емкость кэш.
Размер строки.
Способ отображения основной памяти на кэш-памяти.
Алгоритм замещения информации заполненной кэш-памяти.
Алгоритм согласования содержимого основной памяти и кэш-памяти.
Кэш-память. Способы отображения оперативной памяти на кэш-память.
Способ отображения.
Прямое отображение
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.
Кэш-память. Алгоритмы замещения кэш-памяти.
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. |
Кэш-память. Алгоритмы согласования содержимого оперативной памяти и кэш-памяти.