Иерархическая организация памяти компьютеров (ЭВМ). Концепции кэш-памяти. Стратегии распределения (отображения)

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Иерархическая организация памяти компьютеров (ЭВМ)                                        стр. 1

2. Концепции кэш-памяти                                                                                                 стр. 2

3. Стратегии распределения (отображения)                                                                    стр. 4

3.1. Кэш-память с прямым отображением                                                           стр. 4

3.2. Кэш-память с полностью ассоциативным отображением                           стр. 6

3.3. Кэш-память с множественно-ассоциативным отображением                    стр. 9

3.4. Кэш-память с распределением секторов                                                       стр. 11

4. Стратегии замещения блоков в кэш-памяти                                                               стр. 13

5. Проблема поддержки актуальности копий и способы её решения.                                               Стратегии обновления ОП                                                                                                   стр. 17

1. Иерархическая организация памяти компьютеров (ЭВМ)

Память компьютера состоит из некоторого числа разнообразных по своему действию запоминающих устройств, объединенных по многоуровневому (иерархическому) принципу (рис. 1.1). Использование подобного иерархического подхода к построению памяти связано с противоречивостью требований пользователя, предъявляемых к объему, быстродействию и стоимости памяти. Быстродействие памяти, как правило, оценивается временем доступа. Стоимость памяти в отношении определенного вида компьютера определяется как отношение общей стоимости к объему и представляет собой удельную стоимость памяти.

Рис. 1.1. Упрощенная схема иерархии памяти

В принципе, существует определенная зависимость между быстродействием процессора и емкостью основной памяти, при которой обеспечивается наиболее эффективное согласование этих основных устройств ЭВМ. В 70-х годах был сформулирован эмпирический закон, называемый законом Амдала, сущность которого состоит в следующем: для эффективной работы ЭВМ каждой единице быстродействия ЦП в 1 MIPS требуется одна единица емкости памяти – 1 Мбайт.

Основные дополнения к упрощенной схеме иерархии памяти:

1)  разделение кэш-памяти на уровни;

2)  использование дисковой кэш-памяти в качестве промежуточного уровня между основной и внешней памятью;

3)  дополнение внешней (дисковой) памяти, так называемой архивной памятью, в качестве которой используется ВЗУ на магнитных лентах.

2. Концепции кэш-памяти

1. Кэш-память является чисто аппаратным средством, “прозрачным” для выполняемых программ и представляет собой своеобразный буфер между основной памятью и ЦП (рис.1.2). Как правило, соотношение между емкостью кэш-памяти и ОП составляет 1/100 – 1/1000 – в зависимости от типа ЭВМ. Соотношение между временем доступа (циклом памяти) соответственно составляет 1/2 – 1/5. Как правило, передача данных между основной памятью и процессором производится через кэш-память, хотя в принципе возможна прямая передача.

Рис. 1.2. Передача данных между ОП и процессором 

2.  Кэш-память строится на основе элементов статической памяти (SRAM – Static Random Access Memory), а ОП – на элементах динамической памяти (DRAM – Dynamic RAM). Элементы SRAM представляют собой триггеры, а DRAM – по принципу действия подобны конденсатору. В связи со стеканием заряда во времени память типа DRAM требует периодической перезаписи (refresh).

3. Кэш-память и основная память разделяются на блоки одинакового объема, размер которых обычно составляет 8¸128 байт. Обычно блок ОП и кэш-памяти называют строкой (line). Обмен между ОП и кэш-памятью носит блочный характер (рис. 1.2). В кэш-памяти содержатся копии тех блоков ОП, к которым в последнее время выполнялись обращения со стороны ЦП.

4. При любом обращении процессора к основной памяти определяется наличие блока, к которому производится обращение, в кэш-памяти. При наличии блока в кэш-памяти (такая ситуация называется кэш-попаданием – cache-hit), осуществляется быстрое обращение (чтение или запись) со стороны ЦП в кэш-память.

Обмен между ЦП и кэш-памятью осуществляется не на уровне блоков, а на уровне слов (рис. 1.2). Под словом в данном случае понимается объём данных, участвующих в одной пересылке между ЦП и кэш-памятью или ЦП и ОП. Разрядность слова определяется разрядностью шины данных между ЦП и кэш-памятью или ЦП и основной памятью.

При отсутствии в кэш-памяти слова, к которому осуществляется обращение (такая ситуация называется кэш-промахом – cache-miss), сначала инициируется пересылка блока, содержащего затребованное слово, из ОП в кэш-память, а затем осуществляется обращение к этому слову из кэш-памяти. Как правило, подобный подход имеет место при обращении по чтению. При обращении по записи в случае отсутствия блока в кэш-памяти, запись может производиться и непосредственно в оперативную память без предварительной пересылки блока в кэш-память (рис. 1.2).

5. Эффективность использования кэш-памяти определяется так называемым принципом локальности ссылок (доступа, обращений). При этом выделяют два вида локальности: пространственная и временная