Файл: Программа для эвм это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке.docx

несекторированным. Возможен и вариант секторированного кэша, при котором одна строка содержит несколько смежных секторов, размер которых соответствует минимальной порции обмена данными кэша с основной памятью. При этом в записи каталога, соответствующей каждой строке, должны храниться биты действительности для каждого сектора данной строки. Секторирование позволяет экономить память, необходимую для хранения каталога при увеличении объема кэша, так как при этом увеличивается количество разрядов каждого элемента каталога, а не количество самих элементов (размер каталога).

На эффективность применения кэш-памяти в иерархической системе памяти влияет целый ряд моментов. К наиболее существенным из них можно отнести:

• емкость кэш-памяти;

• размер строки;

• способ отображения основной памяти на кэш-память;

• алгоритм замещения информации в заполненной кэш-памяти;

• алгоритм согласования содержимого основной и кэш-памяти;

• число уровней кэш-памяти.
Емкость кэш-памяти

Выбор емкости кэш-памяти - это всегда определенный компромисс. С одной стороны, кэш-память должна быть достаточно мала, чтобы ее стоимостные показатели были близки к величине, характерной для ОП. С другой – она должна быть достаточно большой, чтобы среднее время доступа в системе, состоящей из основной и кэш-памяти, определялось временем доступа к кэш-памяти. В пользу меньшего размера кэш-памяти имеется больше мотивировок. Так, чем больше емкость кэш-памяти, тем сложнее ее адресация. Как следствие, кэш-память большей емкости работает медленнее по сравнению с кэш-памятью меньшей емкости.

Реальная эффективность использования кэш-памяти зависит от характера решаемых задач, и невозможно заранее определить, какая ее емкость будет действительно оптимальной.

Общая тенденция: по мере увеличения емкости кэш-памяти вероятность промахов сначала существенно снижается, но при достижении определенного значения эффект сглаживается и становится несущественным. Установлено, что для большинства задач близкой к оптимальной является кэш-память емкостью от 1 до 512 Кбайт.

Размер строки

Еще одним важным фактором, влияющим на эффективность использования кэш-памяти, является размер строки. Когда в кэш-память помещается строка, вместе с требуемым словом туда попадают и соседние слова. По мере увеличения размера строки вероятность промахов сначала падает, так как в кэш, согласно принципу локальности, попадает все больше данных, которые понадобятся в ближайшее время. Однако вероятность промахов начинает расти, когда размер строки становится достаточно большим. Объясняется это тем, что:

---

• большие размеры строки уменьшают общее количество строк, которые можно загрузить в кэш-память, а малое число строк приводит к необходимости частой их смены;

• по мере увеличения размера строки каждое дополнительное слово оказывается дальше от запрошенного, поэтому такое дополнительное слово менее вероятно понадобится в ближайшем будущем.
Зависимость между размером строки и вероятностью промахов во многом определяется характеристиками конкретной программы, из-за чего трудно рекомендовать определенное значение величины строки. Считается, что наиболее близким к оптимальному является размер строки, равный 4-8 адресуемым единицам (словам или байтам). На практике размер строки обычно выбирают равным ширине шины данных, связывающей кэш-память с основной памятью, или размеру пакета, если процессор поддерживает режим пакетной передачи.

2 1. Способы отображения основной памяти на кэш-память. Архитектуры кэш-памяти.
Сущность отображения блока основной памяти на кэш-память состоит в копировании этого блока в какую-то строку кэш-памяти, после чего все обращения к блоку в ОП должны переадресовываться на соответствующую строку кэш-памяти.

Способ отображения должен одновременно отвечает трем требованиям:

1. обеспечивать быструю проверку кэш-памяти на наличие в ней копии блока основной памяти;

2. обеспечивать быстрое преобразование адреса блока ОП в адрес строки кэша;

3. реализовывать достижение первых двух требований наиболее экономичными средствами.
Способы отображения оперативной памяти на кэш-память будем рассматривать на следующем примере:

• емкость основной памяти 256 Кслов;

• емкость кэш-памяти 2 Кслова;

• ОП разбивается на блоки по 16 слов в каждом (размер строки кэш-памяти 16 слов).
Для адресации каждого слова основной памяти необходим 18-разрядный адрес (256К = 218). ОП состоит из 256К/16 = 218/24 = 214 = 16384 блоков. При такой организации 18-разрядный адрес можно условно разделить на две части: младшие 4 разряда определяют адрес слова в пределах блока, а старшие 14 – номер блока. Эти старшие 14 разрядов будем называть

---

адресом блока основной памяти.

В свою очередь, для адресации любого слова в кэш-памяти требуется 11-разрядный адрес (2К = 211). Кэш-память содержит 2К/16 = 211/24 = 27 = 128 строк. 11-разрядный адрес слова в кэш-памяти также можно представить состоящим из двух частей: адреса слова в строке – 4 младших разряда и адреса строки кэш-памяти – 7 старших разрядов.

Поскольку процессор всегда обращается к ОП (кэш-память для процессора невидима) и формирует для этого 18-разрядный адрес, необходим механизм преобразования такого адреса в 11-разрядный адрес слова в кэш-памяти. Так как расположение слов в блоке ОП и строке кэш-памяти идентично, для доступа к конкретному слову в блоке ОП или в строке кэш-памяти можно использовать младшие 4 разряда 18-разрядного адреса ОП. Следовательно, остается только задача преобразования 14-разрядного адреса блока основной памяти в 7-разрядный адрес строки кэш-памяти.

Известные варианты отображения основной памяти на кэш можно свести к трем видам:

1. прямое отображение;

2. полностью ассоциативное;

3. частично-ассоциативное.
Прямое отображение. При прямом отображении адрес строки i кэш-памяти, на которую может быть отображен блок j из ОП, однозначно определяется выражением:

i = j mod m,

где m – общее число строк в кэш-памяти.

В нашем примере i =j mod 128, где адрес строки i может принимать значения от 0 до 127, а адрес блока – от 0 до 16383.

Такое отображение означает, что на строку кэша с номером i отображается каждый m-й блок ОП, если отсчет начинать с блока, номер которого равен i.

В нашем примере на строку кэша с номером i отображается каждый 128-й блок ОП. При этом основная память условно разбивается на 16384/m = 16384/128 = 128 страниц по m = 128 блоков и представляется в виде двухмерного массива блоков, в котором количество рядов равно числу строк в кэш-памяти, и в каждом ряду находятся блоки, претендующие (переадресуемые) на одну и ту же строку кэш-памяти (рис. 29).



При реализации такого отображения 14-разрядный адрес блока основной памяти условно разбивается на два поля: 7-разрядный номер страницы и 7-разрядное поле строки. Поле строки

---

указывает на одну из 128 = 2⁷ строку кэш-памяти, в которую может быть отображен блок с заданным адресом. Номер страницы определяет, какой именно блок из закрепленных за данной строкой кэша, отображается в этой строке. Когда блок фактически заносится в память данных кэша, в память тегов кэш-памяти записывается номер страницы, которой принадлежит этот блок. Таким образом, семь старших разрядов адреса блока ОП служат тегом.

Прямое отображение – простой и недорогой в реализации способ отображения. Основной его недостаток – жесткое закрепление за определенными блоками ОП одной строки в кэш-памяти. Поэтому если программа поочередно обращается к словам из двух различных блоков, отображаемых на одну и тут же строку кэш-памяти, то постоянно будет происходить обновление данной строки и вероятность попадания будет низкой.

Полностьюассоциативноеотображение. Полностью ассоциативное отображение позволяет преодолеть недостаток прямого отображения, разрешая загрузку любого блока ОП в любую строку кэш-памяти. При этом в адресе ОП выделяются два поля: поле адреса блока и поле слова в блоке. Когда блок фактически заносится в память данных

---

кэша, в память тегов кэш-памяти записывается адрес этого блока (рис. 30). Таким образом, адрес блока ОП служат тегом. Для проверки наличия копии блока в кэш-памяти контроллер кэш-памяти должен одновременно проверить теги всех строк на совпадение с полем адреса блока. Этому требованию наилучшим образом отвечает ассоциативная память.
Рисунок 30 – Организация кэш-памяти с полностью ассоциативным отображением Ассоциативное отображение обеспечивает гибкость при выборе строки для вновь записываемого блока. Принципиальный недостаток этого способа – необходимость использования дорогостоящей ассоциативной памяти.

Множественно-ассоциативноеотображение. Множественно-ассоциативное отображение относится к группе методов частично- ассоциативного отображения. Оно является одним из возможных компромиссов, сочетающим достоинства прямого и ассоциативного способов отображения и, в известной мере, свободным от их недостатков.

Кэш-память (как тегов, так и данных) разбивается на v подмножеств (наборов), каждое из которых содержит k строк (принято говорить, что набор имеет k входов). Зависимость между набором и блоками ОП такая же, как и при прямом отображении: на строки, входящие

---