Принципы управления памятью вычислительной системы. Виртуальная память и преобразование адресов

Классификация МКМД-систем

В МКМД-системе каждый процессорный элемент (ПЭ) выполняет свою про­грамму достаточно независимо от других ПЭ. В то же время процессорные элементы должны как-то взаимодействовать друг с другом. Различие в способе такого взаимодействия оп­ределяет условное деление МКМД-систем на ВС с общей памятью и системы с распределенной памятью (рис. 5.7).

В системах с общей памятью, которые характеризуют как сильно связанные, имеется общая память данных и команд, доступная всем процессорным элементам с помощью общей шины или сети соеди­нений. Такие системы называются мультипроцессорами. К этому типу относятся симметричные мультипроцессоры (UMA (SMP), Symmetric Multiprocessor), системы с неоднородным доступом к памяти (NUMA, Non-Uniform Memory Access) и системы, с так называемой, локальной памятью вместо кэш-памяти (COMA, Cache Only Memory Access).

Если все процессоры имеют равный доступ ко всем модулям памяти и всем устройствам ввода-вывода и каждый процессор взаимозаменяем с другими процессорами, то такая система называется SMP-системой. В системах с общей памятью все процессоры имеют равные возможности по доступу к единому адресному пространству. Единая память может быть построена как одноблочная или по модульному принципу, но обычно практикуется второй вариант.

SMP-системы относятся к архитектуре UMA. Вычислительные системы с общей памятью, где доступ любого процессора к памяти производится единообразно и занимает одинаковое время, называют системами с однородным доступом к памяти UMA (Uniform Memory Access).

С точки зрения уровней используемой памяти в архитектуре UMA рассматривают три варианта построения мультипроцессора:

Классическая (только с общей основной памятью);

С дополнительным локальным кэшем у каждого процессора;

С дополнительной локальной буферной памятью у каждого процессора (рис. 5.8).

С точки зрения способа взаимодействия процессоров с общими ресурсами (памятью и СВВ) в общем случае выделяют следующие виды архитектур UMA:

С общей шиной и временным разделением (7.9);

С координатным коммутатором;

На основе многоступенчатых сетей.

Использование только одной шины ограничивает размер мультипроцессора UMA до 16 или 32 процессоров. Чтобы получить больший размер, требуется другой тип коммуникационной сети. Самая простая схема соединения – координатный коммутатор (рис. 5.10). Координатные коммутаторы используются на протяжении многих десятилетий для соединения группы входящих линий с рядом выходящих линий произвольным образом.

Координатный коммутатор представляет собой неблокируемую сеть. Это значит, что процессор всегда будет связан с нужным блоком памяти, даже если какая-то линия или узел уже заняты. Более того, никакого предварительного планирования не требуется.

Координатные коммутаторы вполне применимы для систем средних размеров (рис. 5.11).

На основе коммутаторов 2x2 можно построить многоступенчатые сети. Один из возможных вариантов – сеть omega (рис. 5.12). Для n процессоров и n модулей памяти тредуется log 2 n ступеней, n/2 коммутаторов на каждую ступень, то есть всего (n/2)log 2 n коммутаторов на каждую ступень. Это намного лучше, чем n 2 узлов (точек пересечения), особенно для больших n.

Размер мультипроцессоров UMA с одной шиной обычно ограничивается до нескольких десятков процессоров, а для координатных мультипроцессоров или мультипроцессоров с коммутаторами требуется дорогое аппаратное обеспечение, и они ненамного больше по размеру. Чтобы получить более 100 процессоров, необходим иной доступ к памяти.

Для большей масштабируемости мультипроцессоров приспособлена архитектура с неоднородным доступом к памяти NUMA (NonUniform Memory Access). Как и мультипроцессоры UMA, они обеспечивают единое адресное пространство для всех процессоров, но, в отличие от машин UMA, доступ к локальным модулям памяти происходит быстрее, чем к удаленным.

В рамках концепции NUMA реализуется подходы, обозначаемые аббревиатурами NC-NUMA и CC-NUMA.

Если время доступа к удаленной памяти не скрыто (т.к. кэш-память отсутствует), то такая система называется NC-NUMA (No Caching NUMA – NUMA без кэширования) (рис. 5.13).

Если присутствуют согласованные КЭШи, то система называется CC-NUMA (Coherent Cache Non-Uniform Memory Architecture – NUMA с согласованной кэш-памятью) (7.14).

Организация памяти МПС. Сегментация памяти. Вычисление адреса. Внутренняя КЭШ память .

Память микропроцессорной системы выполняет функцию временно­го или постоянного хранения данных и команд. Объем памяти определяет допустимую сложность выполняемых системой алгоритмов, а также в некоторой степени и скорость работы системы в целом. Модули памяти выполняются на микросхемах памяти (оперативной или постоянной). Все чаще в составе микропроцессорных систем используется флэш-память (англ. – flash memory), которая представляет собой энергонезависимую память с возможностью многократной перезаписи содержимого.

Для подключения модуля памяти к системной магистрали используются блоки сопряжения, которые включают в себя дешифратор (селектор) адреса, схему обработки управляющих сигналов магистрали и буферы данных (рисунок7.4.1).

Рисунок 7.4.1. Схема подключения модуля памяти.

В пространстве памяти микропроцессорной системы обычно выделяются несколько особых областей, которые выполняют специальные фун­кции. К ним относятся:

– память программы начального запуска, выполненная на ПЗУ или флэш-памяти;

– память для стека или стек (Stack) – это часть оперативной памяти, пред­назначенная для временного хранения данных;

– таблица векторов прерываний, содержащая адреса начала программ обработки прерываний;

– память устройств, подключенных к системной шине.

Все остальные части пространства памяти, как правило, имеют универсальное назначение. В них могут располагаться как данные, так и программы (конечно, в случае одношинной архитектуры).

Часто простран­ство памяти делится на сегменты с программно изменяемым адресом начала сегмента и с установленным размером сегмента. Например, в процессоре Intel 8086 сегментирование памяти организовано следующим образом.

Вся память системы представляется не в виде непрерывного пространства, а в виде нескольких кусков – сегментов заданного размера (по 64 Кбайта), положение которых в пространстве памяти можно изменять программным путем.

Для хранения кодов адресов памяти используются не отдельные регистры, а пары регистров:

Сегментный регистр определяет адрес начала сегмента (то есть положение сегмента в памяти);

Регистр указателя (регистр смещения) определяет положение рабочего адреса внутри сегмента.

При этом физический 20-разрядный адрес памяти, выставляемый на внешнюю шину адреса, образуется так, как показано на рисунке7.4.2, то есть путем сложения смещения и адреса сегмента со сдвигом на 4 бита.

Рисунок 7.4.2. Формирование физического адреса памяти из адреса сегмента и смещения.

Положение этого адреса в памяти показано на рисунке7.4.3.

Рисунок 7.4.3. Положение физического адреса в памяти

Сегмент может начинаться только на 16-байтной границе памяти (так как адрес начала сегмента, по сути, имеет четыре младших нулевых разряда, как видно из рисунка 7.4.2), то есть с адреса, кратного 16. Эти допустимые границы сегментов называются границами параграфов.

Отметим, что введение сегментирования, прежде всего, связано с тем, что внутренние регистры процессора 16-разрядные, а физический адрес памяти 20-разрядный (16-разрядный адрес позволяет использовать память только в 64 Кбайт, что явно недостаточно).

Кэш–память располагается между основной памятью (ОП) и центральным процессором для снижения затрат времени на обращение ЦП к ОП.

Идея кэш-памяти основана на прогнозировании наиболее вероятных обращений ЦП к ОП. Наиболее «вероятные» данные и команды копируются в быструю, работающую в темпе ЦП, кэш-память до начала их непосредственного использования ЦП, так что обращение к данным и командам, используемым в текущий момент времени, может происходить быстро, без обращения к ОП. В основу такого подхода положен принцип локальности программы или, как еще говорят, гнездовой характер обращений, имея в виду, что адреса последовательных обращений к ОП образуют, как правило, компактную группу. При обращении к ОП в кэш-память копируются не отдельные данные, а блоки информации, включающие те данные, которые с большой степенью вероятности будут использованы в ЦП на последующих шагах работы. В связи с этим последующие команды выбираются ЦП уже не из ОП, а из быстрой кэш-памяти. Когда ЦП нужно считать или записать некоторое данное в ОП, он сначала проверяет его наличие в кэш-памяти. Эффективность кэш-системы зависит от размера блока и алгоритма программ.

Многопроцессорность вычислительных систем приводит к проблеме одновременного доступа к памяти со стороны нескольких процессоров. В зависимости от того, каким образом организована память многопроцессорной системы, различают:

1. Вычислительные системы с общей памятью (shared memory) – Мультипроцессоры:

i. PVP (CrayT90)

ii. SMP(Intel SHV, SunFire, Dec8400 и т.д.)

i. COMA (KSR-1, DDM)

ii. CC-NUMA (Stanford Dash, Data General и т.д.)

iii. NCC-NUMA (Crag T3E)

2. Вычислительные системы с распределенной памятью (distributed memory) – Мультикомпьютеры:

ii. MPP – слабосвязанные системы (Intel TFLOPS)

Различие между общей и распределенной памятью – это разница в структуре виртуальной памяти, то есть в том, как эта память выглядит со стороны процессоров. Другими словами, общую память от распределенной отличает то, каким образом подсистема памяти интерпретирует поступивший от микропроцессора адрес ячейки (глобальный адрес или локальный адрес).

Физически почти вся память разделена на автономные компоненты, доступ к которым может производиться независимо.

Рассмотрим модели архитектур памяти ВС, которые будут верны как для класса множественный поток данных MIMD, так и для SIMD:

UMA - ВС с общей памятью, где доступ любого процессора к памяти производится единообразно и занимает одинаковое время. Системы с однородным доступом к памяти:

Mp – общая память

Pi – процессор

Общая шина

Особенности: в каждый момент времени обмен по шине, может вести только один из процессоров. Производительность падает с увеличением количества процессоров. Чаще всего от 4 до 8 процессоров в системе, максимальная производительность = 2. Систему нельзя отнести к отказоустойчивым, так как отказ одного модуля памяти или процессора может привести к отказу всей системы.

В данном классе архитектур существуют многопроцессорные системы с памятью, состоящей из нескольких модулей. Шина заменена коммутатором, который маршрутизирует запросы процессора к одному из нескольких модулей памяти. При чём все модули памяти входят в единое адресное пространство. Достоинство – можно обрабатывать несколько запросов.

NUMA – неоднородный доступ к памяти. Здесь различают несколько классов. Используется единое адресное пространство, но каждый процессор имеет локальную память (как правило, кэш). Доступ к ЛП осуществляется гораздо быстрее, чем доступ к удаленной памяти через сеть или коммутатор.

COMA – только с кэш. Локальная память каждого процессора построена как большая кэш. Кэши всех процессоров в совокупности представляют собой глобальную память системы. Данные не привязаны статически к определенному модулю памяти и не имеют уникального адреса. Данные переносится в кэш процессора, который последним их запросил.

Главный недостаток: очень сложное управление, ОС не участвует в процессе управления (все задачи возлагаются на аппаратуру).

CC-NUMA – модель кэш-когерентного доступа к неоднородной памяти. Используется не кэш, а обычная физически распределенная память. Не требуется какого-либо программного обеспечения для сохранения множества обновленных данных. С этим справляется аппаратный уровень.

NCC-NUMA – модель предполагает использование единого адресного пространства, но не обеспечивает согласованности глобальных данных на аппаратном уровне. Управление возлагается на ПО, это считается недостатком, но модель наиболее перспективная с точки зрения повышения производительности.

Мультикомпьютеры – блоки, из которых строится система, представляют собой с процессором и памятью.

NORMA – архитектура без прямого доступа к удаленной памяти.

P – процессор

M – локальная память

K0 и K1 – контроллер ввода/вывода

Блоки – процессорные элементы. Из них собирают системы.

Каждый процессор в такой системе может обратиться к удаленной памяти только путем обмена сообщениями с процессорами, которым принадлежит адресуемая память. Все ПЭ по отношению друг к другу рассматриваются как устройства ввода-вывода.

Для посылки сообщений в другой процессорный элемент процессор формирует блок данных в своей локальной памяти и извещает свой локальный контроллер о необходимости передачи информации на внешнее устройство. По сети меж соединений это сообщение пересылается на приёмный контроллер, тот находит место в своей локальной памяти и уведомляет свой процессор о том, что оно поступило, а так же процессор-источник о получении сообщения.

Достоинства – при доступе к данным не возникает конкуренция за шину или коммутатор. Раз отсутствует общая шина, то нет ограничений на количество процессоров. В гораздо меньшей степени стоит проблема достоверности кэш. Каждый процессор в праве менять свой кэш и не согласовать свои действия с другими.

Недостатки: У каждого процессорного элемента есть система прерываний. От этого сложность обмена информацией (время на пересылку и формирование сообщения, время на формирование запросов прерываний и их обработку).

Важной частью вычислительных систем является память. Организация взаимодействия между процессором и памятью определяет основные характеристики вычислительной системы, остальные элементы обеспечивают связь этого звена с внешними устройствами с внешним миром. Память соединяется с управляющим памятью контроллером (устройством управления памятью) по шине адреса, шине данных и шине управления. Разрядность шины данных определяет, сколько двоичных разрядов одновременно (параллельно) может быть считано из памяти. Каждый двоичный разряд (1 бит) хранится элементом памяти. Элементы для памяти различного типа строятся на основе различных физических принципов записи и хранения информации. Элементы памяти объединяются в ячейки памяти. При этом все элементы ячейки адресуются одновременно, одинаково и организованы так, что одновременно могут выдавать данные на шину данных. Такие объединенные ячейки образуют слово. Количество разрядов данных, считываемых из памяти одновременно, называют длиной выборки. Для хранения 1 байта используется 8 элементов памяти, восьмибитные ячеки памяти организованы с использованием шины данных шириной 8 линий.

Из микросхем памяти (чипов) создаются модули памяти, которые устанавливаются в специальные слоты (разъемы) вычислительной системы. Сейчас наиболее распространены DIMM модули - модули памяти с двумя рядами контактов.

Разрядность адресной шины определяет адресное пространство, то есть количество ячеек памяти, которые могут адресоваться непосредственно. Если разрядность адресной шины - n, то количество всех возможных двоичных комбинаций (количество адресов) определится как N = 2n.

Рис. 1. Организация связи системы памяти с процессором

Память вычислительного устройства может выполнять три операции:

a) хранение информации;

b) запись информации;

c) чтение информации.

Характеристики памяти:

Емкость памяти определяет максимальное количество хранимой в памяти информации и измеряется в битах, байтах, килобайтах, мегабайтах, гигабайтах, терабайтах и т.д.

Удельная емкость определяется как отношение емкости памяти к физически занимаемому ею объему.

Плотность записи информации определяется как количество информации, приходящееся на единицу площади носителя информации или на единицу длины носителя информации.

Время доступа к памяти. Быстродействие памяти определяется продолжительностью выполнения операций при обращении к памяти. Время обращения при записи и время обращения при чтении складывается из времени поиска ячейки памяти по заданному адресу и собственно записи или чтения соответственно.

Классификация памяти:

Память с произвольным доступом

Для памяти с произвольным доступом (электронной памяти) время обращения не зависит от местоположения искомого участка памяти. Выбор ячейки происходит по адресу при помощи электронных схем.

Прямой циклический доступ

При обращении к дисковой памяти используется прямой циклический доступ. Носитель информации непрерывно вращается, поэтому возможность обращения к одному и тому же участку памяти является циклической.

Последовательный доступ

Последовательный доступ к данным возможен при использовании в качестве носителя магнитной ленты, где последовательный просмотр участков носителя необходим для нахождения нужных данных.

Безадресная память

К безадресным можно отнести стековые и ассоциативные запоминающие устройства. При обращении к безадресной памяти в команде обращения к памяти не задается адрес ячейки. В стековых устройствах памяти адрес ячейки памяти отслеживает специальный адресный регистр. При обращении к стеку устанавливается адрес из этого регистра. При обращении к ассоциативной памяти поиск информации ведется по признаку (тэгу) путем сравнения тегов всех ячеек памяти с ассоциативным признаком. Ассоциативный признак записывается для выполнения операции сравнения в специальный регистр признака.

Классификация памяти по функциональному назначению:

ПЗУ - постоянные запоминающие устройства или ROM (Read Only- Memory), служат для хранения постоянных данных и служебных программ.

СОЗУ - сверхоперативное запоминающее устройство, это набор регистров общего назначения - РОН, предназначенных для хранения операндов и результатов выполнения операции в процессоре.

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство или RAM (Random Access Memory - память с произвольной выборкой), служит для хранения выполняемой программы и оперативных данных. Если к любому регистру можно обратиться для записи/чтения по его адресу, то такая регистровая структура образует СОЗУ с произвольным доступом.

Классификация по способу хранения информации:

Статическая память

В статических запоминающих устройствах БИС выполнены на бистабильных триггерных элементах памяти (имеющих два стабильных состояния - отсюда и название памяти).

Динамическая память

В динамических запоминающих устройствах используются более дешевые БИС, в которых запоминающим элементом является конденсатор. Конденсатор со временем разряжается (в этом - динамика), поэтому необходимо поддерживать значение потенциала, подзаряжая конденсатор. Этот процесс называют регенерацией.

Постоянная память

В постоянных запоминающих устройствах запоминающим элементом является пережигаемая плавкая перемычка или полупроводниковый диод, играющий роль разрушаемой перемычки. В перепрограммируемых ПЗУ для записи и хранения информации применяются ячейки, выполненные на МОП транзисторах с плавающим и изолированным затвором, информация записывается электрически, когда по каналу исток/сток протекает ток, заряды оседают на затворе и хранятся как угодно долго. Стирание информации производится путем подачи напряжения другого знака на участок исток/сток в перепрограммируемых ПЗУ с электрическим стиранием или облучением ультрафиолетовым излучением в ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием.

Голографическая память

В голографических запоминающих устройствах информация хранится в объеме голографического кристалла в виде снимка интерференции двух волн, опорной и информационной. Этот перспективный вид запоминающих устройств имеет большую плотность записи информации и в настоящее время находится в стадии разработки.

Биологическая память

В биологических запоминающих устройствах для записи информации используется изменение состояния органических молекул, обладающих свойством хранить заряд и обмениваться электронами.

Память на магнитных носителях

Во внешних запоминающих устройствах на магнитных носителях информация хранится в виде намагниченных в определенном направлении участков ферромагнитной поверхности диска или магнитной ленты.

Оптическая память

В оптических внешних запоминающих устройствах информация записывается в виде участков, имеющих разные коэффициенты рассеяния света направленного луча лазера.

Память является одним из основных компонентов любого компьютера. Ее емкость и быстродействие в значительной степени определяют производительность всей компьютерной системы. В данном вопросе были рассмотрены наиболее важные технологии создания и детали организации памяти.

Организация подсистемы памяти в ПК

Запоминающие устройства (ЗУ) подсистемы памяти ПК можно выстроить в следующую иерархию (табл. 9.1):

Регистры процессора составляют его контекст и хранят данные, используемые исполняющимися в конкретный момент командами процессора. Обращение к регистрам процессора происходит, как правило, по их мнемоническим обозначениям в командах процессора.

Кэш используется для согласования скорости работы ЦП и основной памяти. В вычислительных системах используют многоуровневый кэш: кэш I уровня (L1), кэш II уровня (L2) и т.д. В настольных системах обычно используется двухуровневый кэш, в серверных - трехуровневый. Кэш хранит команды или данные, которые с большой вероятностью в ближайшее время поступят процессору на обработку. Работа кэш-памяти прозрачна для программного обеспечения, поэтому кэш-память обычно программно недоступна.

Оперативная память хранит, как правило, функционально-законченные программные модули (ядро операционной системы, исполняющиеся программы и их библиотеки, драйверы используемых устройств и т.п.) и их данные, непосредственно участвующие в работе программ, а также используется для сохранения результатов вычислений или иной обработки данных перед пересылкой их во внешнее ЗУ, на устройство вывода данных или коммуникационные интерфейсы.

Каждой ячейке оперативной памяти присвоен уникальный адрес. Организационные методы распределения памяти предоставляют программистам возможность эффективного использования всей компьютерной системы. К таким методам относят сплошную ("плоскую") модель памяти и сегментированную модель памяти. При использовании сплошной модели (flat model) памяти программа оперирует единым непрерывным адресным пространством линейным адресным пространством, в котором ячейки памяти нумеруются последовательно и непрерывно от 0 до 2n-1, где n - разрядность ЦП по адресу. При использовании сегментированной модели (segmented model) для программы память представляется группой независимых адресных блоков, называемых сегментами. Для адресации байта памяти программа должна использовать логический адрес, состоящий из селектора сегмента и смещения. Селектор сегмента выбирает определенный сегмент, а смещение указывает на конкретную ячейку в адресном пространстве выбранного сегмента.

Организационные методы распределения памяти позволяют организовать вычислительную систему, в которой рабочее адресное пространство программы превышает размер фактически имеющейся в системе оперативной памяти, при этом недостаток оперативной памяти заполняется за счет внешней более медленной или более дешевой памяти (винчестер, флэш-память и т.п.) Такую концепцию называют виртуальной памятью. При этом линейное адресное пространство может быть отображено на пространство физических адресов либо непосредственно (линейный адрес есть физический адрес), либо при помощи механизма страничной трансляции. Во втором случае линейное адресное пространство делится на страницы одинакового размера, которые составляют виртуальную память. Страничная трансляция обеспечивает отображение требуемых страниц виртуальной памяти в физическое адресное пространство.

Кроме реализации системы виртуальной памяти внешние ЗУ используются для долговременного хранения программ и данных в виде файлов.

Кэш-память

Кэш-память представляет собой быстродействующее ЗУ, размещенное на одном кристалле с ЦП или внешнее по отношению к ЦП. Кэш служит высокоскоростным буфером между ЦП и относительно медленной основной памятью. Идея кэш-памяти основана на прогнозировании наиболее вероятных обращений ЦП к оперативной памяти. В основу такого подхода положен принцип временной и пространственной локальности программы.

Если ЦП обратился к какому-либо объекту оперативной памяти, с высокой долей вероятности ЦП вскоре снова обратится к этому объекту. Примером этой ситуации может быть код или данные в циклах. Эта концепция описывается принципом временной локальности, в соответствии с которым часто используемые объекты оперативной памяти должны быть "ближе" к ЦП (в кэше).

Для согласования содержимого кэш-памяти и оперативной памяти используют три метода записи:

• Сквозная запись (write through) - одновременно с кэш-памятью обновляется оперативная память.
• Буферизованная сквозная запись (buffered write through) - информация задерживается в кэш-буфере перед записью в оперативную память и переписывается в оперативную память в те циклы, когда ЦП к ней не обращается.
• Обратная запись (write back) - используется бит изменения в поле тега, и строка переписывается в оперативную память только в том случае, если бит изменения равен 1.

Как правило, все методы записи, кроме сквозной, позволяют для увеличения производительности откладывать и группировать операции записи в оперативную память.

В структуре кэш-памяти выделяют два типа блоков данных:

• память отображения данных (собственно сами данные, дублированные из оперативной памяти);
• память тегов (признаки, указывающие на расположение кэшированных данных в оперативной памяти).

Пространство памяти отображения данных в кэше разбивается на строки - блоки фиксированной длины (например, 32, 64 или 128 байт). Каждая строка кэша может содержать непрерывный выровненный блок байт из оперативной памяти. Какой именно блок оперативной памяти отображен на данную строку кэша, определяется тегом строки и алгоритмом отображения. По алгоритмам отображения оперативной памяти в кэш выделяют три типа кэш-памяти:

• полностью ассоциативный кэш;
• кэш прямого отображения;
• множественный ассоциативный кэш.

Для полностью ассоциативного кэша характерно, что кэш-контроллер может поместить любой блок оперативной памяти в любую строку кэш-памяти (рис. 9.1). В этом случае физический адрес разбивается на две части: смещение в блоке (строке кэша) и номер блока. При помещении блока в кэш номер блока сохраняется в теге соответствующей строки. Когда ЦП обращается к кэшу за необходимым блоком, кэш-промах будет обнаружен только после сравнения тегов всех строк с номером блока.

Одно из основных достоинств данного способа отображения - хорошая утилизация оперативной памяти, т.к. нет ограничений на то, какой блок может быть отображен на ту или иную строку кэш-памяти. К недостаткам следует отнести сложную аппаратную реализацию этого способа, требующую большого количества схемотехники (в основном компараторов), что приводит к увеличению времени доступа к такому кэшу и увеличению его стоимости.

Увеличить изображение
Рис. 9.1. Полностью ассоциативный кэш 8х8 для 10-битного адреса

Альтернативный способ отображения оперативной памяти в кэш - это кэш прямого отображения (или одновходовый ассоциативный кэш). В этом случае адрес памяти (номер блока) однозначно определяет строку кэша, в которую будет помещен данный блок. Физический адрес разбивается на три части: смещение в блоке (строке кэша), номер строки кэша и тег. Тот или иной блок будет всегда помещаться в строго определенную строку кэша, при необходимости заменяя собой хранящийся там другой блок. Когда ЦП обращается к кэшу за необходимым блоком, для определения удачного обращения или кэш-промаха достаточно проверить тег лишь одной строки.

Очевидными преимуществами данного алгоритма являются простота и дешевизна реализации. К недостаткам следует отнести низкую эффективность такого кэша из-за вероятных частых перезагрузок строк. Например, при обращении к каждой 64-й ячейке памяти в системе на рис. 9.2 кэш-контроллер будет вынужден постоянно перегружать одну и ту же строку кэш-памяти, совершенно не задействовав остальные.

Увеличить изображение
Рис. 9.2. Кэш прямого отображения 8х8 для 10-битного адреса

Несмотря на очевидные недостатки, данная технология нашла успешное применение, например, в МП Motorola MC68020, для организации кэша инструкций первого уровня (рис. 9.3). В данном микропроцессоре реализован кэш прямого отображения из 64 строк по 4 байт. Тег строки, кроме 24 бит, задающих адрес кэшированного блока, содержит бит значимости, определяющий действительность строки (если бит значимости 0, данная строка считается недействительной и не вызовет кэш-попадания). Обращения к данным не кэшируются.

Увеличить изображение
Рис. 9.3. Схема организации кэш-памяти в МП Motorola MC68020

Компромиссным вариантом между первыми двумя алгоритмами является множественный ассоциативный кэш или частично-ассоциативный кэш (рис. 9.4). При этом способе организации кэш-памяти строки объединяются в группы, в которые могут входить 2, 4, : строк. В соответствии с количеством строк в таких группах различают 2-входовый, 4-входовый и т.п. ассоциативный кэш. При обращении к памяти физический адрес разбивается на три части: смещение в блоке (строке кэша), номер группы (набора) и тег. Блок памяти, адрес которого соответствует определенной группе, может быть размещен в любой строке этой группы, и в теге строки размещается соответствующее значение. Очевидно, что в рамках выбранной группы соблюдается принцип ассоциативности. С другой стороны, тот или иной блок может попасть только в строго определенную группу, что перекликается с принципом организации кэша прямого отображения. Для того чтобы процессор смог идентифицировать кэш-промах, ему надо будет проверить теги лишь одной группы (2/4/8/: строк).

Увеличить изображение
Рис. 9.4. Двухвходовый ассоциативный кэш 8х8 для 10-битного адреса

Данный алгоритм отображения сочетает достоинства как полностью ассоциативного кэша (хорошая утилизация памяти, высокая скорость), так и кэша прямого доступа (простота и дешевизна), лишь незначительно уступая по этим характеристикам исходным алгоритмам. Именно поэтому множественный ассоциативный кэш наиболее широко распространен (табл. 9.2).

Примечания: В Intel-486 используется единый кэш команд и данных первого уровня. В Pentium Pro L1 кэш данных - 8 Кбайт 2-входовый ассоциативный, в остальных моделях P6 - 16 Кбайт 4-входовый ассоциативный. В Pentium 4 вместо L1 кэша команд используется L1 кэш микроопераций (кэш трассы).

Для организации кэш-памяти можно использовать принстонскую архитектуру (смешанный кэш для команд и данных, например, в Intel-486). Это очевидное (и неизбежное для фон-неймановских систем с внешней по отношению к ЦП кэш-памятью) решение не всегда бывает самым эффективным. Разделение кэш-памяти на кэш команд и кэш данных (кэш гарвардской архитектуры) позволяет повысить эффективность работы кэша по следующим соображениям:

• Многие современные процессоры имеют конвейерную архитектуру, при которой блоки конвейера работают параллельно. Таким образом, выборка команды и доступ к данным команды осуществляется на разных этапах конвейера, а использование раздельной кэш-памяти позволяет выполнять эти операции параллельно.
• Кэш команд может быть реализован только для чтения, следовательно, не требует реализации никаких алгоритмов обратной записи, что делает этот кэш проще, дешевле и быстрее.

Именно поэтому все последние модели IA-32, начиная с Pentium, для организации кэш-памяти первого уровня используют гарвардскую архитектуру.

Критерием эффективной работы кэша можно считать уменьшение среднего времени доступа к памяти по сравнению с системой без кэш-памяти. В таком случае среднее время доступа можно оценить следующим образом:

T ср = (T hit x R hit) + (T miss x (1 R hit))

где T hit - время доступа к кэш-памяти в случае попадания (включает время на идентификацию промаха или попадания), T miss - время, необходимое на загрузку блока из основной памяти в строку кэша в случае кэш-промаха и последующую доставку запрошенных данных в процессор, R hit - частота попаданий.

Очевидно, что чем ближе значение R hit к 1, тем ближе значение T ср к T hit . Частота попаданий определяется в основном архитектурой кэш-памяти и ее объемом. Влияние наличия и отсутствия кэш-памяти и ее объема на рост производительности ЦП показано в табл. 9.3.