Организация шин. Алгоритмы замещения страниц виртуальной памяти и кэш-памяти

Алгоритмы замещения страниц виртуальной памяти и кэш-памяти

Так как емкость кэш-памяти намного меньше емкости оперативной памяти, неизбежно возникает ситуация, при которой кэш будет заполнен, и в случае промаха для перемещения информации из ОЗУ не будет места, поэтому необходимо предварительно освободить место в кэш-памяти, удалив строку. Такая процедура называется замещением строк кэш-памяти (аналогично для страниц виртуальной памяти в ОЗУ).

Возникает вопрос – какую строку из кэш-памяти удалить? Возможны следующие алгоритмы замещения строк:

- случайный выбор

- удаление строки, которая была записана раньше других (принцип FIFO)

- удаление строки, к которой не было дольше всего обращения (наиболее часто используемый алгоритм)

Совокупность трактов, объединяющих между собой основные устройства ВМ (центральный процессор, память и модули ввода/вывода), образует структуру взаимосвязей вычислительной машины. Структура взаимосвязей должна обеспечивать обмен информацией между:

- центральным процессором и памятью;

- центральным процессором и модулями ввода/вывода;

- памятью и модулями ввода/вывода.

Информационные потоки, характерные для основных устройств ВМ, показаны на следующем рисунке.

Рис. Информационные потоки в вычислительной машине

С развитием вычислительной техники менялась и структура взаимосвязей устройств ВМ (см. рисунок ниже). На начальной стадии преобладали непосредственные связи между взаимодействующими устройствами ВМ. С появлением мини-ЭВМ, и особенно первых микро-ЭВМ, все более популярной становится схема с одной общей шиной. Последовавший за этим быстрый рост производительности практически всех устройств ВМ привел к неспособности единственной шины справиться с возросшим трафиком, и ей на смену приходят структуры взаимосвязей на базе нескольких шин. Дальнейшие перспективы повышения производительности вычислений связаны не столько с однопроцессорными машинами, сколько с многопроцессорными вычислительными системами. Способы взаимосвязей в таких системах значительно разнообразнее. Возвращаясь к вычислительным машинам, более внимательно рассмотрим вопросы, связанные с организацией взаимосвязей на базе шин.

Рис. Эволюция структур взаимосвязей (ЦП – центральный процессор, ПАМ – модуль основной памяти, МВВ – модуль ввода/вывода)

Взаимосвязь частей ВМ и ее «общение» с внешним миром обеспечиваются системой шин. Большинство машин содержат несколько различных шин, каждая из которых оптимизирована под определенный вид коммуникаций. Часть шин скрыта внутри интегральных микросхем или доступна только в пределах печатной платы. Некоторые шины имеют доступные извне точки, с тем, чтобы к ним легко можно было подключить дополнительные устройства, причем большинство таких шин не просто доступны, но и отвечают определенным стандартам, что позволяет подсоединять к шине устройства различных производителей. Чтобы охарактеризовать конкретную шину, нужно описать:

- совокупность сигнальных линий;

- физические, механические и электрические характеристики шины;

- используемые сигналы арбитража, состояния, управления и синхронизации;

- правила взаимодействия подключенных к шине устройств (протокол шины).

Рис. Параметры, характеризующие шину

Шину образует набор коммуникационных линий, каждая из которых способна передавать сигналы, представляющие двоичные цифры 1 и 0. По линии может пересылаться развернутая во времени последовательность таких сигналов. При совместном использовании несколько линий могут обеспечить одновременную (параллельную) передачу двоичных чисел. Физически линии шины реализуются в виде отдельных проводников, как полоски проводящего материала на монтажной плате либо как алюминиевые или медные проводящие дорожки на кристалле микросхемы.

Операции на шине называют транзакциями. Основные виды транзакций — транзакции чтения и транзакции записи. Если в обмене участвует устройство ввода/вывода, можно говорить о транзакциях ввода и вывода, по сути эквивалентных транзакциям чтения и записи соответственно. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных.

Когда два устройства обмениваются информацией по шине, одно из них должно инициировать обмен и управлять им. Такого рода устройства называют ведущими (bus master). В компьютерной терминологии «ведущий» — это любое устройство, способное взять на себя владение шиной и управлять пересылкой данных. Ведущий не обязательно использует данные сам. Он, например, может захватить управление шиной в интересах другого устройства. Устройства, не обладающие возможностями инициирования транзакции, носят название ведомых (bus slave). В принципе к шине может быть подключено несколько потенциальных ведущих, но в любой момент времени активным может быть только один из них: если несколько устройств передают информацию одновременно, их сигналы перекрываются и искажаются. Для предотвращения одновременной активности нескольких ведущих в любой шине предусматривается процедура допуска к управлению шиной только одного из претендентов (арбитраж). В то же время некоторые шины допускают широковещательный режим записи, когда информация одного ведущего передается сразу нескольким ведомым (здесь арбитраж не требуется). Сигнал, направленный одним устройством, доступен всем остальным устройствам, подключенным к шине.

Английский эквивалент термина «шина» — «bus» — восходит к латинскому слову omnibus, означающему «для всего». Этим стремятся подчеркнуть, что шина ведет себя как магистраль, способная обеспечить всевозможные виды трафика. В данном разделе рассматриваются только общие вопросы, касающиеся организации, функционирования и применения шин, без ориентации на конкретные реализации.

Дата добавления: 2014-01-06