Кешування оперативної пам'яті

Основна пам'ять комп'ютерів реалізується на відносно повільній динамічній пам'яті (DRAM), звертання до неї приводить до простою процесора — з'являються такти чекання (wait states). Статична пам'ять (SRAM), побудована, як і процесор, на трігерних елементах, по своїй природі здатна наздогнати сучасні процесори по швидкодії і зробити непотрібними такти чекання (або хоча б скоротити їхня кількість). Розумним компромісом для побудови економічних і продуктивних систем з'явився ієрархічний спосіб організації оперативної пам'яті. Ідея полягає в сполученні основної пам'яті великого обсягу на DRAM з відносно невеликою кеш-пам'яттю на швидкодіючих мікросхемах SRAM.

У перекладі слово «cache» (кеш) означає «таємний склад», «схованка», «заначка». Таємниця цього складу полягає в його «прозорості» — адресуемой області пам'яті для програми він не додає. Кеш є додатковим швидкодіючим сховищем копій блоків інформації з основної пам'яті, імовірність звертання до яких найближчим часом велика. Кеш не може зберігати копію всієї основної пам'яті, оскільки його обсяг у багато разів менше обсягу основної пам'яті. Він зберігає лише обмежену кількість блоків даних і каталог (cache directory) — список їхньої поточної відповідності областям основної пам'яті. Крім того, кешироваться може і не вся оперативна пам'ять, доступна процесорові: по-перше, через технічні обмеження може бути обмежений максимальний обсяг кешируемой пам'яті; по-друге, деякі області пам'яті можуть бути оголошені некешируемими (настроюванням регістрів чипсета або процесора). Якщо встановлено більше оперативної пам'яті, чим можливо кешировать, звертання до некешируемой області ОЗУ буде повільним. Таким чином, збільшення обсягу ОЗУ, теоретично завжди що благотворно впливає на продуктивність, може знизити швидкість роботи визначених компонентів, що потрапили в некешируемую пам'ять. В ОС Windows пам'ять розподіляється, починаючи з верхніх адрес фізичної пам'яті в результаті в деяких конфігураціях у некешируемую область може потрапити ядро ОС.

При кожнім звертанні до пам'яті контролер кеш-пам'яті по каталозі перевіряє, є чи дійсна копія викликаних даних у кеше. Якщо вона там є, то це випадок кеш-попадания (cache hit) і дані беруться з кеш-пам'яті. Якщо дійсної копії там ні, це випадок кеш-промаха (cache miss) і дані беруться з основної пам'яті. Відповідно до алгоритму кеширования блок даних, лічений з основної пам'яті, за певних умов заміщає один із блоків кеша. Від інтелектуальності алгоритму заміщення залежить відсоток влучень і, отже, ефективність кеширования. Пошук блоку в списку повинний вироблятися досить швидко, щоб «замисленістю» в ухваленні рішення не звести нанівець виграш від застосування швидкодіючої пам'яті. Звертання до основної пам'яті може починатися одночасно з пошуком у каталозі, а у випадку влучення — перериватися (архітектура look aside). Це заощаджує час, але зайві звертання до основної пам'яті ведуть до збільшення енергоспоживання. Інший варіант: звертання до основної пам'яті починається тільки після фіксації промаху (архітектура look through); при цьому губиться принаймні один такт процесора, зате заощаджується енергія.

Дата добавления: 2014-01-04