Лекции по "Технические средства САПР"

Технические средства САПР   Лекция 04             Доцент, к.т.н., Алексеев Анатолий Васильевич

КЕШ память

Увеличение быстродействия процессора требует и соответствующего увеличения быстродействия оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Динамическое ОЗУ проще и дешевле,  чем статическое ОЗУ, поэтому удобно использовать динамические ОЗУ. А для того, чтобы приблизится к желаемому быстродействию, используют небольшую часть статического ОЗУ – КЭШ память.

При использовании  КЭШ памяти отпадает необходимость получать часто используемые данные из «медленного» динамического ОЗУ. Их получают непосредственно из КЭШ памяти. Такую КЭШ память принято называть вторичной, поскольку небольшой объем КЭШ встроен в сам процессор.

Процессор Intel 80486 был первым процессором, в котором использовалась КЭШ память объёмом 8 Кбайт. КЭШ память процессора Pentium лучше КЭШ памяти процессора Intel 80486 по четырём причинам:

1. Pentium имеет два КЭШа, один из которых предназначен для хранения данных, а другой для хранения команд;

2. КЭШ данных имеет более эффективную организацию, называемую алгоритмом «двунаправленной записи». В отличие от него, алгоритм «сквозной записи» предусматривает, что данные  могут быть считаны из КЭШа достаточно быстро. При этом запись данных  в ОЗУ будет идти медленно, поскольку определяется быстродействием самого динамического ОЗУ. Отметим, что не каждый кусочек информации, записанный в ОЗУ, остаётся в ней надолго. Алгоритм работы КЭШ памяти в Pentium позволяет записывать данные из КЭШа в ОЗУ по принципу «как можно позже» в отличие от процессора 80486, в котором все записи происходят сразу;

3. Контроллер КЭШа всё время просматривается КЭШ память, чтобы определить его содержимое. В Pentium КЭШ памяти разделены каждая на две области, что позволяет просматривать КЭШ более быстро. Такой подход получил название «двойной ассоциативный КЭШ»;

4. В идеальном случае, КЭШ должен предположительно знать, какие данные и команды понадобятся процессору, а затем загрузить эти данные и команды из ОЗУ в КЭШ память прежде, чем процессор потребует их. Такое предположение является очень сложной задачей, особенно, когда должно быть выполнено какое-либо решение. Например,  КЭШ «видит», что процессор  выполняет некоторую инструкцию «Сравнить величину А и Б. Если А>Б, то устанавливается максимальное значение А, иначе устанавливается максимальное значение Б». Такая операция является сложной для КЭШ, поскольку не понятно, какую из дорог выберет процессор А>Б или А<Б, а следовательно не известно, что должно быть загружено в КЭШ память. В таких случаях, контроллер КЭШ Pentium использует методику «предвидения ветвления».

Технически КЭШ память Pentium находится на материнской плате. В последних моделях Pentium вторичный КЭШ находится непосредственно в процессоре, а следовательно, и работает на тактовой частоте процессора, а не шины.

 

Принципы  организации КЭШ памяти

При каждом обращении к КЭШ  памяти проверяется наличие нужных данных в КЭШе – «попадание». При отсутствии нужных данных – «промах», выполняется обычный цикл обращения к ОЗУ с состоянием ожидания.

Вероятность попадания определяется, в основном, объемом КЭШ памяти и достигает 90% при объёме КЭШ памяти равным 64Кбайта. Объем ОЗУ мало влияет на вероятность попадания, т.к. процессор редко обращается к произвольным ячейкам памяти.

Большинство программ  работает с одной и той же областью ОЗУ в несколько Кбайт в течение некоторого времени. В таких случаях, как повторные вычисления больших электронных таблиц, КЭШ память действует не эффективно.

В состав КЭШ входят.

- контроллер;

- блок памяти данных и команд;

- блок памяти тегов.

                                                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контроллер  управляет работой  КЭШ памяти. Соответствующим программированием контроллера задается режим работы КЭШ памяти или вообще запрещается кэширование.

БПДК - блок памяти данных и команд - содержит копию данных и команд из ОЗУ.

БПТ - блок памяти тегов содержит адресную информацию, так называемый «тег».

Рассмотрим два способа организации  КЭШ памяти.

КЭШ с прямым отображением

Каждой ячейки ОЗУ соответствует только одна ячейка КЭШ памяти. При этом, на одну ячейку  КЭШ памяти отображается m ячеек ОЗУ (m определяется  как отношение объема ОЗУ  к объему КЭШ памяти). Например, при объеме ОЗУ 16 Мбайт и объеме КЭШ  64 Кбайт, на каждую ячейку КЭШ отображается 256 адресов ОЗУ.

                          

 

 

 

 

 

 

 

                                               

                                                             

 

При обращении к КЭШ памяти физический адрес, формируемый процессором, рассматривается как совокупность тега (адреса с 16 – 31) и индекса (адреса с 0 – 15).

Индекс задаёт адрес в КЭШ памяти, а поле тега  указывает, какая из 256 возможных ячеек ОЗУ фактически находится в данной  ячейке КЭШ памяти.

 

 

 

 

                                                   

 

                                                            

 

 

 

 

При обращении  к  КЭШ памяти поле тега физического адреса сравнивается с содержимым поля тега в КЭШ памяти. Если они совпадают, то произошло попадание. Если нет, то происходит обращение к ОЗУ с последующей заменой в КЭШ памяти тега и данных из ОЗУ.

КЭШ память с прямым отображением отличается простотой технической реализации, но слабо эффективна в мульти-задачных системах.

 Модульно  ассоциативная КЭШ память.

При такой организации каждая ячейка ОЗУ может отображаться на любую ячейку КЭШ памяти. В этом случае, с тегом ассоциируется адрес ячейки ОЗУ. При подаче адреса с ним одновременно сравниваются все теги. Если один из тегов равен выставленному адресу, то произошло попадание и происходит обращение к соответствующей ячейке КЭШ памяти, ассоциированной с тегом.

Стратегии записи  в КЭШ память

Сквозная запись – информация записывается одновременно и в КЭШ и ОЗУ.

Двунаправленная запись – информация записывается только в КЭШ память, а модификация ОЗУ производится лишь в случае удаления данных из КЭШа. Эта стратегия обеспечивает большое быстродействие, но сложна в реализации.

Считывание информации в обоих  случаях выполняется одинаково.

Наиболее распространён при организации КЭШ памяти  алгоритм замещения информации, который заключается в том, что замещаются элементы, к которым больше всего не было обращения.