Методы организации кэш-памяти
Характерные особенности типовой структуры кэш-памяти. Способы размещения в ней данных и механизмы преобразования адресов. Специфика строения кэш-памяти с прямым, полностью или частично ассоциативным распределением, а также с распределением секторов.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 15.11.2010 |
| Размер файла | 160,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Методы организации кэш-памяти
Введение
В функциональном отношении кэш-память рассматривается как буферное ЗУ, размещённое между основной (оперативной) памятью и процессором. Основное назначение кэш-памяти - кратковременное хранение и выдача активной информации процессору, что сокращает число обращений к основной памяти, скорость работы которой меньше, чем кэш-памяти.
За единицу информации при обмене между основной памятью и кэш-памятью принята строка, причём под строкой понимается набор слов, выбираемый из оперативной памяти при одном к ней обращении. Хранимая в оперативной памяти информация представляется, таким образом, совокупностью строк с последовательными адресами. В любой момент времени строки в кэш-памяти представляют собой копии строк из некоторого их набора в ОП, однако расположены они необязательно в такой же последовательности, как в ОП.
Построение кэш-памяти может осуществляться по различным принципам, которые будут рассмотрены ниже.
1. Типовая структура кэш-памяти
Рассмотрим типовую структуру кэш-памяти (рис. 1), включающую основные блоки, которые обеспечивают её взаимодействие с ОП и центральным процессором.
Рис. 1. Типовая структура кэш-памяти
Строки, составленные из информационных слов, и связанные с ними адресные теги хранятся в накопителе, который является основой кэш-памяти. Адрес требуемого слова, поступающий от центрального процессора (ЦП), вводится в блок обработки адресов, в котором реализуются принятые в данной кэш-памяти принципы использования адресов при организации их сравнения с адресными тегами.
Само сравнение производится в блоке сравнения адресов (БСА), который конструктивно совмещается с накопителем, если кэш-память строится по схеме ассоциативной памяти. Назначение БСА состоит в выявлении попадания или промаха при обработке запросов от центрального процессора.
Если имеет место кэш-попадание (т.е. искомое слово хранится в кэш-памяти, о чём свидетельствует совпадение кодов адреса, поступающего от центрального процессора, и одного из адресов некоторого адресного тега), то соответствующая строка из кэш-памяти переписывается в регистр строк. С помощью селектора-демультиплексора из неё выделяется искомое слово, которое и направляется в центральный процессор.
В случае промаха с помощью блока формирования запросов осуществляется инициализация выборки из ОП необходимой строки. Адресация ОП при этом производится в соответствии с информацией, поступившей от центрального процессора. Выбираемая из памяти строка вместе со своим адресным тегом помещается в накопитель и регистр строк, а затем искомое слово передается в центральный процессор.
Для высвобождения места в кэш-памяти с целью записи выбираемой из ОП строки одна из строк удаляется. Определение удаляемой строки производится посредством блока замены строк, в котором хранится информация, необходимая для реализации принятой стратегии обновления находящихся в накопителе строк.
2. Способы размещения данных в кэш-памяти
Существует четыре способа размещения данных в кэш-памяти:
прямое распределение,
полностью ассоциативное,
частично ассоциативное,
распределение секторов.
Рассмотрим подробно каждый способ размещения и механизмы преобразования адресов.
Предположим, что кэш содержит 128 строк, размер строки 16 слов, а основная память может содержать 16384 строки. Для адресации основной памяти используется 18 бит. Из них 14 старших показывают адрес строки, а младшие 4 - адрес слова внутри этой строки. Строки КЭШ-памяти указываются 7-разрядными адресами.
3. Прямое распределение
При прямом распределении место хранения строк в кэш-памяти однозначно определяется по адресу строки. Структура кэш-памяти с прямым распределением показана на рис. 2.
Рис. 2. Структура кэш-памяти с прямым распределением
Адрес основной памяти состоит из 14-ти разрядного адреса строки и 4-х разрядного адреса слова внутри этой строки.
Адрес строки подразделяется на старшие 7 бит (тег) и младшие 7 бит (индекс). Для того чтобы поместить в кэш-память строку из основной памяти с адресом АВС, выбирается область внутри кэш-памяти с адресом В, который равен 7 младшим битам адреса строки АВ.
Преобразование из АВС в В сводится только к выборке младших 7 бит адреса строки АВ. По адресу В в кэш-памяти может быть помещена любая из 128 строк основной памяти, имеющих адрес, 7 младших бит которого равны адресу В.
Для того, чтобы определить, какая именно строка хранится в памяти данных в настоящий момент времени, используется запоминающее устройство емкостью 7*128 слов, в котором помещается по соответствующему адресу в качестве тега 7 старших бит адреса строки, хранящейся в данное время по адресу В кэш-памяти.
Это запоминающее устройство называется теговой памятью. Память, в которой хранятся строки, называется памятью данных. Тег из теговой памяти считывается по адресу В, который образует 7 младших бит адреса строки АВ. Параллельно считыванию тега осуществляется доступ к памяти данных с помощью 11 младших бит (ВС) адреса основной памяти АВС.
Если тег и старшие 7 бит адреса основной памяти совпадают, значит что данная строка существует в памяти данных (строка-V), то есть осуществляется кэш-попадание.
Если же происходит кэш-промах, то есть тег отличается от старших 7 бит, то из основной памяти считывается соответствующая строка, а из кэш-памяти удаляется строка-V, определяемая 7 младшими разрядами адреса строки, а на ее место помещается строка, считанная из основной памяти.
Осуществляется также обновление соответствующего тега в теговой памяти. Способ прямого распределения реализуется довольно просто, однако из-за того, что место хранения строки в кэш-памяти однозначно определяется по адресу строки, вероятность сосредоточения областей хранения строк в некоторой части кэш-памяти высока, то есть замены строк будут происходить довольно часто. В этой ситуации эффективность кэш-памяти заметно снижается.
4. Полностью ассоциативное распределение
При таком способе размещения данных каждая строка основной памяти может быть размещена на месте любой строки кэш-памяти. Структура кэш-памяти с полностью ассоциативным распределением выглядит, как показано на рис 3.
Рис. 3. Структура кэш-памяти с полностью ассоциативным распределением
При полностью ассоциативном распределении механизм преобразования адресов должен давать ответ на вопрос, существует ли копия строки с произвольным адресом в кэш-памяти, и, если существует, то по какому адресу. Для этого необходимо, чтобы теговая память являлась ассоциативной памятью.
Входной информацией для ассоциативной памяти тегов является тег А (14-ти разрядный адрес строки), а выходной информацией - адрес строки внутри кэш-памяти (С). Каждое слово теговой памяти состоит из 14-разрядного тега и 7-разрядного адреса С строки внутри кэш-памяти. Ключом для поиска адреса строки внутри кэш-памяти является тег А (старшие 14 разрядов адреса основной памяти).
При совпадении ключа А с одним из тегов Т теговой памяти (случай попадания) происходит выборка соответствующих данному тегу адреса С и обращение к памяти данных. Входной информацией для памяти данных является 11-ти разрядное слово ВС (7 бит адреса строки В + 4 бита адреса слова в данной строке С). В случае несовпадения ключа ни с одним из тегов теговой памяти (случай промаха) формируется запрос к основной памяти на выборку строки с соответствующим адресом и считывание этой строки. По этому способу при замене строк кандидатом на удаление могут быть все строки в кэш-памяти.
5. Частично ассоциативное распределение
При данном способе размещения, несколько соседних строк (фиксированное число, не менее двух) из 128 строк кэш-памяти образуют структуру называемую группой. Структура кэш-памяти, основанная на использовании частично ассоциативного распределения, показана на рис. 3. В данном случае в одну группу Е входят 4 строки А, В, С, D.
Рис. 3.Структура кэш-памяти, основанная на использовании частично ассоциативного распределения.
Адрес строки НЕ основной памяти (14 бит) разделяется на две части: Н-тег (старшие 9 бит) и Е - адрес группы (младшие 5 бит). Адрес строки внутри кэш-памяти, состоящий из 7 бит, разделяется на адрес группы Е (5 бит) и адрес строки внутри группы (2 бит: 00,01,10,11).
Для помещения в кэш-память строки, хранимой в ОП по адресу НЕF, необходимо выбрать группу с адресом Е. При этом не имеет значения, какая из четырех строк в группе может быть выбрана. Для выбора группы используется метод прямого распределения, а для выбора строки в группе используется метод полностью ассоциативного распределения.
Когда центральный процессор запрашивает доступ по адресу НЕF, то осуществляется обращение к массиву тегов по адресу Е, выбирается группа из четырёх тегов (а, b, с, d), каждый из которых сравнивается со старшими 9 битами (Н) адреса строки. На выходе четырех схем сравнения формируется унитарный код совпадения ( Н=А - код: 1000, Н=В - код: 0100, Н=С - код: 0010, Н=D - код: 0001), который на шифраторе преобразуется в двухразрядный позиционный код, служащий адресом для выбора банка дан-ных (00,01,10,11) - адрес строки внутри группы.
Одновременно осуществляется обращение к массиву данных (банкам V1, V2, V3, V4,) по адресу ЕF (9 бит) и считывание из банка V2 требуемой строки или слова.
При пересылке новой строки в кэш-память удаляемая из нее строка выбирается из четырех строк соответствующего набора (группы).
6. Распределение секторов
По этому способу основная память разбивается на секторы, состоящие из фиксированного числа строк, кэш-память также разбивается на секторы, состоящие из такого же числа строк. Допустим, в секторе 16 строк, а в строке - 16 слов. Структура кэш-памяти с распределением секторов представлена на рис. 4.
В адресе основной памяти 10 старших бит задают адрес сектора А, следующие 4 бита - адрес строки В в секторе и младшие 4 бита - адрес слова С в строке.
При данной организации кэш-памяти, распределение секторов в кэш-памяти и основной памяти осуществлено полностью ассоциативно, то есть, каждый сектор А основной памяти может соответствовать любому сектору D в кэш-памяти. К каждой строке V, хранящейся в кэш-памяти, добавляется один бит достоверности (действительности); он показывает, совпадает или нет содержимое этой строки с содержи-мым строки в основной памяти, которая в данный момент анализируется на соответствие строки кэш-памяти. Если слова, запрашиваемого центральным процессором при доступе, не существует в кэш-памяти (бит достоверности, выбранный по адресу ВD равен 0), то сначала центральный процессор проверяет, был ли сектор А, содержащий это слово, помещен ранее в кэш-память. Если он отсутствует, то один из секторов кэш-памяти заменяется на этот сектор.
Рис. 4. Структура кэш-памяти с распределением секторов.
Если все сектора кэш-памяти используются, то выбирается один какой-нибудь сектор, и при необходимости только некоторые строки этого сектора возвращаются в основную память, а этот сектор можно использовать дальше.
Когда осуществляется доступ к сектору А в кэш-памяти и строка В, содержащая нужное слово С, пересылается из основной памяти, то бит достоверности устанавливается до пересылки строки. Все биты достоверности других строк этого сектора сбрасываются. Если сектор А, содержащий слово В доступ к которому запрашивается, уже находится в кэш-памяти, то, в том случае когда бит достоверности строки, содержащей это слово, равен 0, этот бит устанавливается и строка пересылается из основной памяти в данную область кэш-памяти. В том случае, когда бит достоверности уже равен 1, нужное слово можно считать из кэш-памяти.
Подобные документы
Разработка алгоритма работы и структуры контроллера кэш-памяти с полностью ассоциативным отображением основной памяти. Представление операционной и управляющей частей черного ящика устройства. Схема алгоритма контроллера кэш на уровне микроопераций.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 19.03.2012Внутренний кэш. Смешанная и разделенная кэш-память. Статическая и динамическая память. TLB как разновидность кэш-памяти. Организация кэш-памяти. Отображение секторов ОП в кэш-памяти. Иерархическая модель кэш-памяти. Ассоциативность кэш-памяти.
курсовая работа [229,1 K], добавлен 04.11.2006Объем двухпортовой памяти, расположенной на кристалле, для хранения программ и данных в процессорах ADSP-2106x. Метод двойного доступа к памяти. Кэш-команды и конфликты при обращении к данным по шине памяти. Пространство памяти многопроцессорной системы.
реферат [28,1 K], добавлен 13.11.2009Стратегии размещения информации в памяти. Алгоритмы распределения адресного пространства оперативной памяти. Описание характеристик модели и ее поведения, классов и элементов. Выгрузка и загрузка блоков из вторичной памяти. Страничная организация памяти.
курсовая работа [708,6 K], добавлен 31.05.2013- Управление памятью. Страничная организация памяти. Сегментная организация памяти. Виртуальная память
Как осуществляется трансляция адресов при страничной организации. Что такое компактировка и как с ее помощью избавиться от внешней фрагментации. Что такое регистр таблицы страниц, сегментация. Методы распределения памяти в виде отдельных сегментов.
контрольная работа [236,2 K], добавлен 23.12.2016 Физическая организация памяти компьютера. Организация структуры обработки потока данных. Степень и уровни параллелизма. Оценка иерархической организации памяти. Динамическая перестройка структуры. Микросхемы запоминающих устройств. Кэш-память процессора.
лекция [2,4 M], добавлен 27.03.2015Сравнение различных способов обхода данных. Заполнение массива для случайного обхода. Изучение понятия кэш-памяти, ее основных размеров и функций. Оптимальный и неоптимальный алгоритм умножения двух матриц с точки зрения порядка обхода данных в памяти.
презентация [94,7 K], добавлен 02.06.2013Хранение различной информации как основное назначение памяти. Характеристика видов памяти. Память типа SRAM и DRAM. Кэш-память или сверхоперативная память, ее специфика и области применения. Последние новинки разработок в области в оперативной памяти.
презентация [2,1 M], добавлен 01.12.2014Используемые в компьютерах устройства памяти для хранения данных. Внутренние (оперативная и кэш-память) и внешние устройства памяти. Уровни иерархии во внутренней памяти. Подключения дисководов и управления их работой с помощью дискового контроллера.
презентация [47,7 K], добавлен 26.11.2009Распределение виртуальной памяти. Страничная и сегментная организации виртуальной памяти. Сегментно-страничная организация виртуальной памяти. Преобразование виртуального адреса в физический. Упрощение адресации памяти клиентским программным обеспечением.
курсовая работа [440,7 K], добавлен 04.03.2014
