Лекция "Что такое кэш-память и её структура"

тема 1 вопрос 25 назначение и характеристики кэш памяти Что такое кэш­память и её структура Кэш­память   –   это   сверхбыстрая   память   используемая   процессором,   для   временного хранения данных, которые наиболее часто используются. Вот так, вкратце, можно описать данный тип памяти. Кэш­память построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых   состоит  оперативная   память.   Это   тянет   за   собой   множество   трудностей   в производстве, а также ограничения в объёмах. Именно поэтому кэш память является очень дорогой   памятью,   при   этом   обладая   ничтожными   объёмами.   Но   из   такой   структуры, вытекает главное преимущество такой памяти – скорость. Так как триггеры не нуждаются в регенерации, а время задержки вентиля, на которых они собраны, невелико, то время переключения триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро. Это и позволяет кэш­памяти работать на таких же частотах, что и современные процессоры. Как   уже   упоминалось   выше,   главное   назначение   кэш­памяти   –   это   хранение   данных, которые часто используются процессором. Кэш является буфером, в который загружаются данные,   и,   несмотря   на   его   небольшой   объём,   (около   4­16   Мбайт)   в  современных процессорах, он дает значительный прирост производительности в любых приложениях.  Чтобы лучше понять необходимость кэш­памяти, давайте представим себе организацию памяти   компьютера   в   виде   офиса.   Оперативная   память   будет   являть   собою   шкаф   с папками, к которым периодически обращается бухгалтер, чтобы извлечь большие блоки данных (то есть папки). А стол, будет являться кэш­памятью. Есть такие элементы, которые размещены на столе бухгалтера, к которым он обращается в течение часа по несколько раз. Например, это могут быть номера телефонов, какие­то примеры документов. Данные виды информации находятся прямо на столе, что, в свою очередь,увеличивает скорость доступа к ним. Точно так же, данные могут добавиться из тех больших блоков данных (папок), на стол, для   быстрого   использования,   к   примеру,   какой­либо   документ.   Когда   этот   документ становится не нужным, его помещают назад в шкаф (в оперативную память), тем самым очищая стол (кэш­память) и освобождая этот стол для новых документов, которые будут использоваться в последующий отрезок времени. Также и с кэш­памятью, если есть какие­то данные, к которым вероятнее всего будет повторное обращение, то эти данные из оперативной памяти, подгружаются в кэш­память. Очень часто, это происходит с совместной загрузкой тех данных, которые вероятнее всего, будут   использоваться   после   текущих   данных.   То   есть,   здесь   присутствует   наличие предположений о том, что же будет использовано «после». Вот такие непростые принципы функционирования. 19. КЭШ­память. Назначение. Принцип функционирования.При   обращение   процессором   на   прямую   к   оперативной   памяти,   ОП   не   успевает обслуживать   поступающие   заявки,   процессору   в   этом   случае   приходится   простаивать. Поэтому  необходимо   какими­либо   методами   согласовать  быстродействие  процессора   и ОП. Сделать это можно 2 способами: 1.     Построить ОП на более быстродействующей элементной базе (дорогостоящий) 2.     Использовать специальное структурное решение при организации уровней подсистемы памяти, а именно включений между процессором и ОП быстродействующий КЭШ. Отличительными особенностями КЭШ являются: 1.     Малый объем (от 8кбайт) 2.     Быстродействие сравнимое с быстродействием процессора. КЭШ – это тайник, недоступно для программ, так как не может быть адресовано машинными командами. Суть заключается в следующем, когда процессору понадобилась информация,  сначала он обращается к КЭШ памяти, если информация там есть (такое событие  называется КЭШ попаданием), то нужное слово извлекается из КЭШ и передается  процессору. Если нет (КЭШ промах), то идет обращение к оперативной памяти,  информация помещается в КЭШ затем передается процессору.   Пусть ОП состоит из 2n адресуемых слов, можно представить ОП под совокупность  блоков фиксированной длинны по «к» слов в каждом. Тогда емкость оперативной памяти  можно записать следующим выражением M= 2n/k. КЭШ память состоит из C строк по «к» слов в каждой. Причем емкость КЭШ во  много раз меньше емкости ОП. В процессе выполнения задачи, некоторое подмножество блоков в ОП находятся  строго в КЭШ. Каждая строка в КЭШ снабжается ТЭГом, является служебной областью,  как правило ТЭГ содержит старшие разряды поля адресов памяти. ТЭГ нужен для  установления соответствия между ОП и КЭШ. Структурная организация КЭШ Важной отличительной особенностью КЭШ является то, что две операции передачи слова и загрузка   в ОП могут происходить одновременно. КЭШ соединен с процессором линиями: адрес,  данные, управление. Линии данные и адрес подключены к соответствующим буфером. Эти буферы  имеют выход на системную магистраль, через которую они могут обмениваться с ОП информацией.  Если происходит событие КЭШ попадания, то буферы адреса и данных блокируется.   Если происходит КЭШ попадание, то буферы адреса и данных блокируются, весь процессобращения ведется  без участия ОП.  Если происходит событие КЭШ промах, то затребованный процессором адрес выставляется в  буфер адреса , передается на системную магистраль, затем происходит поиск в ОП, блок  информации копируется в буфер данных, затем передается в КЭШ, затем ЦП.