17. Принципы организации кэш-памяти. Способы отображения данных из озу в кэш-память. Варианты построения.
Кэш-память - это быстродействующая память, расположенная между процессором и основной памятью. Она используется для хранения часто используемых данных и инструкций, что значительно ускоряет доступ к ним.
Основные принципы организации кэш-памяти:
Локальность данных и инструкций. При выполнении программы процессор часто обращается к данным и инструкциям, расположенным в соседних ячейках памяти. Это свойство называется локальностью данных и инструкций. Кэш-память использует это свойство для хранения блоков данных и инструкций, расположенных близко друг к другу.
Размер кэш-памяти. Размер кэш-памяти определяет, сколько данных и инструкций она может хранить. Чем больше размер кэш-памяти, тем больше данных и инструкций она может хранить, и тем выше вероятность того, что в ней окажется необходимая информация.
Скорость доступа к кэш-памяти. Скорость доступа к кэш-памяти должна быть значительно выше, чем скорость доступа к основной памяти. Это необходимо для того, чтобы использование кэш-памяти действительно ускоряло доступ к данным и инструкциям.
Способы отображения данных из ОЗУ в кэш-память:
Существует несколько способов отображения данных из ОЗУ в кэш-память. Наиболее распространенными являются следующие способы:
Прямое отображение. В этом случае каждый блок памяти в ОЗУ соответствует одному блоку кэш-памяти. При обращении процессора к памяти адрес блока памяти разбивается на несколько частей. Одна часть используется для выборки блока кэш-памяти, а другая часть используется для проверки того, действительно ли в кэш-памяти находится запрашиваемый блок.
Ассоциативное отображение. В этом случае каждый блок памяти в ОЗУ может быть размещен в любом блоке кэш-памяти. При обращении процессора к памяти адрес блока памяти разбивается на несколько частей. Одна часть используется для выборки блока кэш-памяти, а другая часть используется для сравнения тегов блоков кэш-памяти с тегом запрашиваемого блока.
Связное отображение. В этом случае блоки памяти в ОЗУ расположены в кэш-памяти в той же последовательности, что и в ОЗУ. При обращении процессора к памяти адрес блока памяти разбивается на несколько частей. Одна часть используется для выборки блока кэш-памяти, а другая часть используется для определения следующего блока кэш-памяти, который необходимо проверить.
Варианты построения кэш-памяти:
Кэш-память может быть построена по различным схемам. Наиболее распространенными являются следующие схемы:
Кэш-память с обратной связью. В этом случае при обращении процессора к памяти сначала проверяется наличие запрашиваемой информации в кэш-памяти. Если информация найдена, она сразу же выдается процессору. Если информация не найдена, она копируется из основной памяти в кэш-память и затем выдается процессору.
Кэш-память с предварительной выборкой. В этом случае при обращении процессора к памяти одновременно проверяется наличие запрашиваемой информации в кэш-памяти и копируется в кэш-память следующий блок данных. Если запрашиваемая информация найдена, она сразу же выдается процессору. Если запрашиваемая информация не найдена, процессор получает блок данных, который был предварительно скопирован в кэш-память.
Выбор способа отображения и схемы построения кэш-памяти зависит от следующих факторов:
Размер кэш-памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем лучше. Однако увеличение размера кэш-памяти приводит к увеличению ее стоимости.
Скорость доступа к кэш-памяти. Скорость доступа к кэш-памяти должна быть значительно выше, чем скорость доступа к основной памяти.
Сложность реализации кэш-памяти. Некоторые способы отображения и схемы построения кэш-памяти являются более сложными для реализации, чем другие.
В современных вычислительных системах обычно используется кэш-память с обратной связью и ассоциативным отображением. Это связано с тем, что такой вариант обеспечивает наилучшее соотношение между эффективностью и сложностью реализации.