Глава 9. Организация кэш-памяти 246

9.1. Назначение и общая схема подключения кэш-памяти 246

9.2. Системы адресации в кэш-памяти 254

9.3. Режимы работы кэш-памяти 264

9.4. Иерархическая структура и средства управления кэш-памятью 266

9.5. Организация когерентности системы кэш-памяти 270

Глоссарий 285

Список литературы 290

Введение

Данное издание предназначено для использования в качестве учебника по дисциплине "Организация ЭВМ и систем" при подготовке дипломированных специалистов по направлению 230100 "Информатика и вычислительная техника" в рамках специальностей:

230100 – Вычислительные машины, комплексы, системы и сети;

230200 – Автоматизированные системы обработки информации и управления;

230300 – Системы автоматизированного проектирования;

230400 – Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем.

Квалификация выпускника – инженер.

По этому ГОСу дисциплина ОПД.Ф.08"Организация ЭВМ и систем" является дисциплиной, в рамках которой происходит знакомство студентов с организацией, структурой и функционированием ЭВМ, и должна содержать следующие темы:

• основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов;

• функциональная и структурная организация процессора;

• основные стадии выполнения команды, организация прерываний в ЭВМ;

• организация ввода-вывода;

• периферийные устройства;

• архитектурные особенности организации ЭВМ различных классов;

• параллельные системы;

• понятие о многомашинных и многопроцессорных вычислительных системах (ВС).

Все эти темы отражаются в настоящем издании. Изложение учебного материала предполагает предварительное (или параллельное) знакомство обучаемых с основными темами дисциплин:

• ЕН.Ф. 01. 03 "Дискретная математика",

• ЕН.Ф. 01. 04 "Математическая логика и теория алгоритмов",

• ЕН.Ф. 01. 05 "Вычислительная математика",

• ЕН.Ф. 02. "Информатика",

• ОПД.Ф.06 " Программирование на языке высокого уровня".

При работе процессора в современных ЭВМ производится выполнение множества процедур. Часть из них выполняется программно (по командам процессора с использованием аппаратных средств). Состав и структура команд, адресация памяти и других программно-видимых объектов образуют программную модель процессора, видимую и управляемую программистом.

Вторая часть составляет физическую структуру (модель) процессора, видимую инженером-электронщиком. Это аппаратные средства реализации команд и аппаратных процедур, часть из которых могут быть событиями, например, сигналами прерывания.

Такое разделение структур оправдывается независимостью развития элементной базы (аппаратных средств) и систем программного обеспечения. Развитие современных технологий микроэлектроники позволяет каждые полтора-два года удваивать количество электронных вентилей (элементарных электронных схем) на кристалле микропроцессора, а это дает возможность непрерывно реализовывать новые аппаратные решения вместо программных.

Развитие программных средств более консервативно. Это следствие большей себестоимости разработки программных средств и, в какой-то мере, результат требования совместимости программных продуктов в пределах семейств процессоров одной архитектуры.

В настоящее издание входит учебный материал по изучению программных моделей процессоров, а также аппаратных и аппаратно-программных средств ЭВМ и вычислительных систем.

В качестве основных программных моделей процессоров для изучения в данном издании выбраны программные модели семейства МП Intel (16- и 32-разрядные).

Это одни из самых сложных по программным моделям и в то же время одни из самых популярных семейств процессоров.

В парке ЭВМ, изначально ориентированных на управление объектами, а впоследствии и на вычисления, широко применяются процессоры, в программных моделях которых получили развитие идеи программных моделей мини-ЭВМ серии PDP-11. В настоящее время это 64-разрядные ЭВМ, используемые как серверы. Для облегчения самостоятельного изучения программных моделей этих фирм в данное пособие включены учебные материалы, дающие первое представление о программных моделях МП корпорации DEC. Это МП PDP-11 и VAX-11 (СМ 1700), причем знакомство с программной моделью VAX-11 дается для "добровольного" изучения и не включено в систему тестирования.

Остальные разделы пособия, такие, как организация оперативной и внешней памяти, операции ввода/вывода и другие, рассматриваются безотносительно к программным моделям процессора. Для иллюстрации программного управления периферийными устройствами (например, по организации программного ввода/вывода) в издании использована мнемоника команд процессора PDP-11.

Эволюция средств вычислительной техники в настоящее время настолько стремительна, что за время обучения (даже на бакалавра), многие конкретные знания, полученные в институте, безнадежно устаревают. Это в первую очередь относится к физической структуре процессора.

В этих условиях важно дать студентам ключ к пониманию вектора эволюции средств вычислительной техники и подготовить их к необходимости непрерывного освоения новаций в области средств вычислительной техники.

Для этого в материалах пособия рассматривается развитие структуры процессора от простейшей до современной. При этом большое значение придается анализу причины появления таких новшеств, как прерывания, виртуальная память, кэш-память и т.д.

Каждый раздел пособия оканчивается списком вопросов для самопроверки, которые затрагивают основные темы раздела. Часть из этих вопросов может применяться в этапных тестированиях.

Для текста учебного материала используются шрифты двух размеров. Крупный шрифт используется для основного учебного материала, мелкий – для дополнительных пояснений.

Основными направлениями эволюции аппаратных средств процессора в настоящее время является параллельность обработки на уровне команд и программ.

При обучении игнорировать факт эволюции физической модели уже стало невозможным. Дело в том, что знание и учет особенностей физической структуры процессора при программировании значительно влияет на производительность процессора. Это использование процедур планирования вычислений на уровне программных кодов (программ ассемблера). Здесь возможно использование оптимизации программ:

• на уровне ассемблера (технология VLIW),

• на уровне аппаратных средств (процессоры Pentium Pr0 – Pentium IV с динамическим выполнением программ),

• с использованием комбинации аппаратно-программных средств (технология EPIC).

В данное пособие включен ряд разделов c кратким изложением сущности этих технологий.

Каждый раздел пособия оканчивается списком вопросов для самопроверки, которые затрагивают основные темы раздела. Часть из этих вопросов может применяться в этапных тестированиях.

Для текста учебного материала используются шрифты двух размеров. Крупный шрифт используется для основного учебного материала, мелкий – для дополнительных пояснений.