Кэш оперативной памяти

Память вычислительной машины представляет собой иерархию запоминающих устройств (внутренние регистры процессора, различные типы сверхоперативной и оперативной памяти, диски, ленты), отличающихся средним временем доступа и стоимостью хранения данных в расчете на один бит. Пользователю хотелось бы иметь и недорогую и быструю память. Кэш-память представляет некоторое компромиссное решение этой проблемы.

Иерархия запоминающих устройств:

регистры процессора,

внутренний кэш процессора,

отдельная от процессора кэш – память (микросхема на материнской плате),

оперативная память, дисковый кэш,

жесткий диск,

CD

гибкий диск (дискета),

магнитные ленты.

Кэш-память – это способ организации совместного функционирования двух типов запоминающих устройств, отличающихся временем доступа и стоимостью хранения данных, который позволяет уменьшить среднее время доступа к данным за счет динамического копирования в «быстрое» ЗУ наиболее часто используемой информации из «медленного» ЗУ.

Кэш-памятью часто называют не только способ организации работы двух типов запоминающих устройств, но и одно из устройств – «быстрое» ЗУ. Оно стоит дороже и, как правило, имеет сравнительно небольшой объем. В современных компьютерах кэш – память встроена в процессор.

Важно, что механизм кэш-памяти является прозрачным для пользователя, который не должен сообщать никакой информации об интенсивности использования данных и не должен никак участвовать в перемещении данных из ЗУ одного типа в ЗУ другого типа, все это делается автоматически системными средствами.

Уточнение: существенное отличие оперативной памяти и дисковой еще и в том, что дисковая память сохраняет информацию после отключения питания, а ОП – нет. Но сейчас мы пока не учитываем это очень важное различие.

Рассмотрим случай использования кэш-памяти для уменьшения среднего времени доступа к данным, хранящимся в оперативной памяти. Для этого между процессором и оперативной памятью помещается быстрое ЗУ, называемое просто кэш-памятью.

Содержимое кэш-памяти представляет собой совокупность записей обо всех загруженных в нее элементах данных. Каждая запись об элементе данных включает в себя адрес, который этот элемент данных имеет в оперативной памяти, и управляющую информацию: признак модификации и признак обращения к данным за некоторый последний период времени, и конечно, собственно данные. Сами записи кэш-памяти не нумеруются, обычно, не упорядочиваются, так как на это нет времени.

В системах, оснащенных кэш-памятью, каждый запрос к оперативной памяти выполняется в соответствии со следующим алгоритмом. Просматривается содержимое кэш-памяти с целью определения, не находятся ли нужные данные в кэш-памяти; кэш-память не является адресуемой, поэтому поиск нужных данных осуществляется по содержимому: сравнивается значение поля «адрес в оперативной памяти» с адресом, извлеченным из запроса. Одновременно отыскивается запись – кандидат на вытеснение и свободное место. Если данные обнаруживаются в кэш-памяти, то они считываются из нее, и результат передается в регистры процессора. Если нужных данных нет, то они вместе со своим адресом копируются из оперативной памяти в кэш-память на свободное место, и результат выполнения запроса передается в процессор. Может оказаться, что в кэш-памяти нет свободного места, тогда выбираются данные, к которым в последний период было меньше всего обращений, для вытеснения из кэш-памяти. Если вытесняемые данные были модифицированы за время нахождения в кэш-памяти, то они переписываются в оперативную память. Если же эти данные не были модифицированы, то их место в кэш-памяти объявляется свободным.

На практике в кэш-память считывается не один элемент данных, к которому произошло обращение, а целый блок данных – страница оперативной памяти (4 Кб в современных системах), это увеличивает вероятность так называемого «попадания в кэш», то есть нахождения нужных данных в кэш-памяти.

Пример: Рассмотрим упрощенную схему. Пусть размер кэш равен 4 записям. Пусть процессору требовались страницы оперативной памяти в следующем порядке: 3, 5, 1, 9, 7, 4, 5, 3. В этом случае выигрыш во времени от использования кэш не только не получен, но, наоборот, время доступа увеличилось, так как добавилось время поиска требуемых страниц в кэш и время переписывания страниц оперативной памяти в кэш. Пусть процессору требовались страницы оперативной памяти в следующем порядке: 3, 5, 3, 9, 9, 3, 5, 3. В этом случае выигрыш во времени будет при третьем, пятом, шестом, седьмом и восьмом обращении. Обратите внимание, что страница с номером 5 долго лежит в кэш, хотя к ней и не было обращений.

Дата добавления: 2014-12-07