Структурная организация кэш-памяти

Кэш-память: назначение и принцип работы

При обращении процессора напрямую к оперативной памяти, последняя не успевает обслуживать поступающие заявки. Нужно согласовать какими-либо способами быстродействие процессора и пропускную способность подсистемы памяти. Сделать это можно двумя способами:

1. Построить ОП на более быстродействующей элементной базе.

2. Использовать специальные структурные решения при организации уровней иерархии системы памяти: Включение между процессором и ОП быстродействующей кэш.

Первый способ считается более дорогостоящим, хотя и используется. Второй используется чаще.

Отличительными особенностями кэш являются: высокое быстродействие (по сравнению с процессором) и очень малый объем (по сравнению с ОП).

МП

кэш

ОП

слово

блок

Кэш общается с МП «словами», а с ОП «блоками»

КЭШ – cache – «тайник», недоступна для программ в том смысле, что никак не может быть адресована машинными командами. Это главное отличие от всех остальных видов памяти.

Суть: в кэш временно хранится копия некоторого фрагмента из ОП. Когда процессору понадобилась информация (операнд, команда), то сначала он проверяет, не содержится ли эта информация в кэш. Если да (такое событие называется кэш попадание – cache hit), то нужное слово извлекается из кэш и передаётся процессору. Если нет (кэш промах – cache miss), то из ОП берётся блок информации, передаётся в кэш, а оттуда слово передаётся процессору.

Принято оценивать эффективность кэш-памяти как отношение количества попаданий к общему количеству обращений.

    … … кэш

  С-1

Поле тэга

Номер строки кэш

Длина блока (k слов)

  …. ОП

Длина слова

  2ⁿ-1

Адрес памяти

Блок (k слов)

Блок (k слов)

Блок (k слов)

Пусть ОП состоит из 2ⁿ адресуемых ячеек. Тогда её можно представить как совокупность блоков фиксированной длины по k слов в каждом. Тогда ёмкость ОП можно представить как M = 2ⁿ/k.

КЭШ состоит из С строк по k слов в каждой. При чём C<<M.

Если в процессе работы МП понадобилась информация из ОП, то в строку кэш копируется блок, содержащий нужную информацию, целиком.

Каждая строка кэш содержит тэг – служебное поле, которое говорит о том, какой именно блок из ОП находится в строке кэш. Таким образом, устанавливается однозначная связь.

Алгоритм передачи слова из кэш в процессор

(RA – адрес слова, необходимый ЦП)

НАЧАЛО

Получить адрес RA от ЦП

Извлечь слово и передать его в ЦП

Выделить строку кэш для нового блока

1.Загрузить считанный из ОП блок в строку кэш

Блок, содержащий адрес RA, уже в кэш?

2.Передать в ЦП слово по адресу RA

ВЫПОЛНЕНО

ДА

НЕТ

Операции 1 и 2 выполняются параллельно, независимо друг от друга. Это обеспечивается соответствующей структурной организацией блоков кэш памяти.

МП

кэш

управление

управление

адрес

данные

Буфер адреса

Буфер данных

Кэш соединён с процессором линиями адреса, данных и управления. Линии адреса и данных подсоединены к специальным буферам. Буферы соединены с системной магистралью и могут обмениваться с ней данными.

Если происходит кэш попадание, то эти два буфера блокируются и весь обмен происходит, минуя системную магистраль (только между процессором и кэш).

Если происходит кэш промах, то нужный процессору адрес выставляется в буфер адреса, передаётся на системную магистраль, затем происходит обращение к ОП, прочитанный из ОП блок данных передаётся в буфер данных, затем в кэш и процессор.

Дата добавления: 2014-01-06