Методы записи в КЭШ память.

Алгоритм замещения строк в КЭШ памяти.

Среднее время доступа к КЭШ памяти можно определить следующим образом:

t_ср = t_обр + Р_пр * t_пр,

где:

t_обр - время обращения при попадании;

Р_пр - потери времени при промахе;

t_пр – вероятность промаха.

Из приведенной формулы видно, что для уменьшения среднего времени доступа t_ср к КЭШ необходимо уменьшить потери времени при промахе, время обращения при попадании и вероятность промахов. При увеличении объема КЭШ памяти вероятность промахов как правило уменьшается. Кроме объема КЭШ памяти на вероятность промахов влияет так же и алгоритм замещения строк КЭШа. Наиболее простой алгоритм замещения используется в КЭШ памяти с прямым отображением, когда замещается та строка, к которой было неудачное обращение (КЭШ промах). Этот алгоритм имеет простое аппаратное решение и существенный недостаток, который ведет к увеличению вероятности промахов, если две строки ОЗУ, претендующих на одну и ту же строку КЭШа, используются одинаково часто.

В полностью ассоциативной и множественно ассоциативной КЭШ памяти имеется возможность использовать более сложные алгоритмы замещения, которые позволяют устранить недостаток организации КЭШа с прямым отражением. На практике наиболее часто используются случайные и LRU алгоритмы замещения строк памяти.

Случайный алгоритм замещения реализуется таким образом, что выбор строк, подлежащих удалению из КЭШ памяти, производится случайно по равномерному закону распределения, то есть равновероятно. При этом чаще всего используются псевдослучайные или случайные числа, формирующиеся специальным генератором. Эти числа являются номерами, то есть адресами строк подлежащих замещению.

В алгоритме LRU удаляется из КЭШ памяти та строка, которая дольше всех не использовалась. Least – Recently Used (LRU) – это алгоритм, имеющий более сложную аппаратную реализацию, поскольку необходимо фиксировать все обращения к строкам для определения той строки, к которой дольше всех не было обращения.

При увеличении объема КЭШ памяти алгоритм LRU становится все более сложным и дорогим, а главное, не позволяет существенно снизить вероятность промахов по сравнению со случайным алгоритмом. Уже при объеме КЭШ памяти 256 кБ, алгоритм LRU практически не имеет преимуществ по сравнению со случайным алгоритмом, и поэтому при больших размерах КЭШа не используется, а используется случайный алгоритм.

При работе с КЭШ памятью преобладают операции чтения, а операции записи составляют меньше 10% трафика памяти. Операция чтения происходит за меньшее время, чем операция записи, поскольку строка из КЭШ памяти может быть прочитана в то же самое время, когда читаются и сравниваются теги строки и адреса. При КЭШ попадании прочитанная строка или ее часть немедленно передаются процессору. При КЭШ промахе от заранее прочитанной строки нет никакой пользы.

При записи новой информации в КЭШ операция сравнения тегов должна предшествовать всем остальным действиям, поскольку проверка тегов не может выполняться параллельно с другой работой, то операция записи занимает больше времени, чем операция чтения.

Возможны два способа записи в КЭШ память:

1)метод сквозной записи;

2)метод обратной записи.

Первый метод предполагает наличие двух копий данных: одной в КЭШ памяти, а другой в ОЗУ. Запись выполняется одновременно и в КЭШ и в ОЗУ. В результате системная шина и процессор работают с большой нагрузкой, поскольку на каждую операцию изменения данных приходится две операции записи. Метод сквозной записи имеет преимущество в том, что ОЗУ всегда имеет свежую копию данных, что важно в мультипроцессорных системах и при организации ввода-вывода данных. Кроме того сквозная запись имеет простую схемную реализацию. Такой метод записи использовался в 80486 микропроцессоре фирмы Intel.

При использовании метода обратной записи цикл записи происходит только в КЭШ памяти, если в КЭШе находится строка, к которой идет обращение (КЭШ попадание). Если адресуемой строки в КЭШ нет, то информация записывается сразу в ОЗУ. При КЭШ попадании запись в ОЗУ происходит только при замещении строки КЭШа. Для сокращения частоты копирования строк запись в ОЗУ происходит только в том случае, если замещаемая строка КЭШа была модифицирована, то есть изменена. Для определения факта изменения строки с каждой строкой КЭШа связывают так называемый «бит модификации». Этот бит показывает, была ли изменена строка в КЭШ памяти или нет. Если строка в КЭШ не модифицирована, то обратное копирование отменяется, поскольку ОЗУ содержит туже самую информацию, что и КЭШ память.

Преимущество данного метода заключается в том, что запись выполняется со скоростью КЭШ памяти. А несколько записей на одну и туже строку КЭШа требует только одной записи – в ОЗУ, что снижает загрузку системной шины. Запись с обратным копированием используется в Pentium.

Архитектура миниЭВМ с общей шиной

Интерфейс общая шина обеспечивает связь между процессором, ОЗУ и ПУ. Для всех передач информации между данными устройствами используются одни и те же линии, процедуры, команды и управляющие силы. При этом в данный момент времени передача информации возможна только между двумя устройствами через общий интерфейс, причем одно из этих устройств является задатчиком (ведущим), а другое – исполнителем (ведомым). Исполнителем может быть любое устройство, подсоединенное к интерфейсу, а задатчиком любое устройство, кроме ОЗУ.

Роль устройств в процессе передачи данных постоянно меняется. Например, при чтении информации из ОЗУ процессор является задатчиком, а ОЗУ – исполнителем. При получении сигнала прерывания от ПУ процессор становится исполнителем, а ПУ – задатчиком.

В процессоре имеется восемь 16-тиразрядных универсальных РОНов, которые нумеруются, как R0, R1…, R7. Эти регистры могут быть использованы как аккумуляторы, индексные регистры, указатели адресов, таблиц, списков, стеков и так далее. Конкретные использования регистров зависит от выбранного режима адресации. Особые функции имеет регистр R7, который используется в качестве счетчика команд, то есть содержит адрес следующей исполняемой команды.

В процессоре используется 16-тиразрядный формат команд, и принята адресация через один из РОНов. Номер этого регистра указывается в формате команды. В качестве примера приведем формат одноадресной команды.

КОП - код операции.

Указатель типа адресации (УА) занимает три разряда, что позволяет задать восемь режимов адресации.

Режим адресации определяет способ интерпретации содержимого выбранного РОНа.

Дата добавления: 2014-01-06