Ассоциативная кэш-память

Уровни КЭШ.

Микропроцессор, как правило, имеет несколько уровней КЭШ - а (processor cache memory, кеш). Первый (L1 & L1i (кэш для инструкций)), второй (L2) и третий (L3) (на серверных решениях бывает и больше).

Чем ниже по рангу кэш, тем медленней скорость его работы.

Первый уровень обычно работает на частоте процессора и имеет самую широкую шину, но и самый маленький объём. Служит для адресации команд и инструкций, но не их временного хранения.

Второй и третий уровни КЭШ -а служат для записи значений вычислений и для служебной информации, используемой чаще всего в данный момент. Имеет в несколько раз б о льший объём, чем кэш первого уровня, но и в н есколько раз меньшую шину, что отрицательно сказывается на пропускной способности.

Кэш бывает разделяемый (на каждое ядро) и общий (объединённый).

Бесспорно, общий кэш работает быстрее. Так как в разделённом кэше, если одному ядру требуется информация, которая до этого была просчитана другим ядром и находится в его КЭШе, то ей придётся проходить по гораздо более медленной оперативной памяти. Иногда быстрее посчитать снова, что процессор и делает. А в случае с общим кэшем, мог бы просто взять данные из общего КЭШа.

К примеру, процессор Intel C2D q9550 состоит из двух Intel C2D E8400.

Четыре ядра будут медленнее не только из-за использования общих ресурсов шины. Кэш L2 теперь не общий и ему приходится искать обходные пути, если к примеру ядру 1 понадобилась информация обработанная ядром 3. Это увеличивает время обработки информации, следовательно уменьшает быстродействие.

Кэш - память называется полностью ассоциативной, если каждая строка ОЗУ может располагаться в любом месте кэш -памяти.

В полностью ассоциативной кэш -памяти максимально используется весь ее объем: вытеснение сохраненной в КП информации проводится лишь после ее полного заполнения. Однако поиск в кэш -памяти, организованной подобным образом, представляет собой трудную задачу.

Компромиссом между этими двумя способами организации кэш -памяти служит множественно-ассоциативная КП, в которой каждая строка ОЗУ может находиться по ограниченному множеству мест в кэш -памяти.

При необходимости замещения информации в кэш -памяти на новую используется несколько стратегий замещения. Наиболее известными среди них являются:

1. LRU - замещается строка, к которой дольше всего не было обращений;

2. FIFO - замещается самая давняя по пребыванию в кэш-памяти строка;

3. Random - замещение проходит случайным образом.

Последний вариант, существенно экономя аппаратные средства по сравнению с другими подходами, в ряде случаев обеспечивает и более эффективное использование кэш -памяти. Предположим, например, что КП имеет объем 4 строки, а некоторый циклический участок программы имеет длину 5 строк. В этом случае при стратегиях LRU и FIFO кэш - память окажется фактически бесполезной ввиду отсутствия кэш -попаданий. В то же время при использовании стратегии случайного замещения информации часть обращений к КП приведет к кэш -попаданиям.

Соответствие между данными в оперативной памяти и в кэш -памяти обеспечивается внесением изменений в те области ОЗУ, для которых данные в кэш -памяти подверглись изменениям. Существует два основных способа реализации этих действий: со сквозной записью (writethrough) и с обратной записью (write-back).

При считывании оба способа работают идентично. При записи кэширование со сквозной записью обновляет основную память параллельно с обновлением информации в КП. Это несколько снижает быстродействие системы, так как микропроцессор впоследствии может вновь обратиться по этому же адресу для записи информации, и предыдущая пересылка строки кэш -памяти в ОЗУ окажется бесполезной. Однако при таком подходе содержимое соответствующих друг другу строк ОЗУ и КП всегда идентично. Это играет большую роль в мультипроцессорных системах с общей оперативной памятью.

Кэширование с обратной записью модифицирует строку ОЗУ лишь при вытеснении строки кэш -памяти, например, в случае необходимости освобождения места для записи новой строки из ОЗУ в уже заполненную КП. Операции обратной записи также инициируются механизмом поддержания согласованности кэш -памяти при работе мультипроцессорной системы с общей оперативной памятью.

Промежуточное положение между этими подходами занимает способ, при котором все строки, предназначенные для передачи из КП в ОЗУ, предварительно накапливаются в некотором буфере. Передача осуществляется либо при вытеснении строки, как в случае кэширования с обратной записью, либо при необходимости согласования кэш -памяти нескольких микропроцессоров в мультипроцессорной системе, либо при заполнении буфера. Такая передача проводится в пакетном режиме, что более эффективно, чем передача отдельной строки.

11. Микропроцессор (МП). Определение. Выполняемые функции. Основные параметры. Типы МП в зависимости от набора системы команд (CISC, RISC, VLIW).

Микропроцессор - программно-управляемое универсальное устройство для цифровой обработки дискретной и (или) аналоговой информации и управления процессом этой обработки, построенное на одной или неск. больших интегральных схемах (БИС)

Функции МП.

После включения питания процессор переходит в первый адрес программы начального пуска и выполняет эту программу. Данная программа предварительно записана в постоянную (энергонезависимую) память. После завершения программы начального пуска процессор начинает выполнять основную программу, находящуюся в постоянной или оперативной памяти, для чего выбирает по очереди все команды. От этой программы процессор могут отвлекать внешние прерывания или запросы на ПДП. Команды из памяти процессор выбирает с помощью циклов чтения по магистрали. При необходимости процессор записывает данные в память или в устройства ввода/вывода с помощью циклов записи или же читает данные из памяти или из устройств ввода/вывода с помощью циклов чтения.

Таким образом, основные функции любого процессора следующие:

1) выборка (чтение) выполняемых команд;

2) ввод (чтение) данных из памяти или устройства ввода/вывода;

3) вывод (запись) данных в память или в устройства ввода/вывода;

4) обработка данных (операндов), в том числе арифметические операции над ними;

5) адресация памяти, то есть задание адреса памяти, с которым будет производиться обмен;

6) обработка прерываний и режима прямого доступа.

Параметры

Основные характеристики микропроцессора

Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя главными характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Рассмотрим характеристики процессоров более подробно.

1. Тип микpопpоцессоpа.

Тип установленного в компьютеpе микpопpоцессоpа является главным фактоpом, опpеделяющим облик ПК. Именно от него зависят вычислительные возможности компьютеpа. В зависимости от типа используемого микpопpоцессоpа и опpеделенных им аpхитектуpных особенностей компьютеpа pазличают пять классов ПК:

- компьютеры класса XT;

- компьютеры класса AT;

- компьютеpы класса 386;

- компьютеpы класса 486;

- компьютеpы класса Pentium.

2. Тактовая частота микpопpоцессоpа - указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины, или просто, такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

3. Быстродействие микропроцессора - это число элементарных операций, выполняемых микропроцессором в единицу времени (операции/секунда).

4. Разрядность процессора - максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.

Разрядность МП обозначается m/n/k/ и включает: m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров; n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации; k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20.

5. Архитектура микропроцессора. (Типы Микропроцессоров)

Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

В соответствии с архитектурными особенностями, определяющими свойства системы команд, различают:

- микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд (наиболее большой набор команд, универсальные МП, заменяют системы целиком);

- микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд (должен выполнять быстро количество операций (всего 120 команд) Например: управление периферийными уст-вами);

- микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом ((very long instruction) – архитектуры для расчет статистических параметров. Их задача – огромные расчёты);

- микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.

12. Серверные микропроцессоры. Требования к характеристикам. Отличительные особенности.

Серверные МП – быстрое выполнение операций. Быстрое выполнение задач. Адресовать большое кол-во ОП, должен выполнять любые задачи.

Например, XEON, AMD Optiron, эти процессоры не экономят электроэнергию. У них нет хорошего графического ядра.
Характеристики:
-частота
-чипсет
-многопроцессорная система

ПС 2000

Дата добавления: 2015-03-29