- •Лабораторная работа №1 Исследование принципов конвейерной обработки Краткая теория
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения лабораторной работы Подготовка к работе
- •Последовательность выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета о выполненной работе
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №2 Исследование конфликтов в работе конвейера Краткая теория
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения лабораторной работы Подготовка к работе
- •Последовательность выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета о выполненной работе
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №3 Исследование принципов мультиконвейерной обработки Краткая теория
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения лабораторной работы Подготовка к работе
- •Последовательность выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета о выполненной работе
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №4 Исследование конфликтов в мультиконвейерных системах Краткая теория
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения лабораторной работы Подготовка к работе
- •Последовательность выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета о выполненной работе
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №5 Изучение особенностей работы суперскалярных микропроцессоров Краткая теория
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения лабораторной работы Подготовка к работе
- •Последовательность выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета о выполненной работе
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №6 Исследование типовых структур кэш-памяти Краткая теория
- •Организация кэш-памяти
- •1. Кэш-память с прямым отображением
- •2. Полностью ассоциативная кэш-память
- •3. Множественно-ассоциативная кэш-память
- •Особенности записи и замещения информации в кэш-памяти. Когерентность кэш-памяти
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения лабораторной работы Подготовка к работе
- •Последовательность выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета о выполненной работе
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №7 Исследование типовых структур памяти многопроцессорных систем Краткая теория
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения лабораторной работы Подготовка к работе
- •Последовательность выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета о выполненной работе
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №8 Исследование конфликтов в работе многопроцессорной системы Краткая теория
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения лабораторной работы Подготовка к работе
- •Последовательность выполнения лабораторной работы
- •Содержание отчета о выполненной работе
- •Контрольные вопросы
- •Индивидуальные задания. Исследование заданной подсистемы вычислительной системы
- •Библиографический список
- •Оглавление
Лабораторная работа №6 Исследование типовых структур кэш-памяти Краткая теория
Цель работы. Изучение с помощью простейшей имитационной модели типовых структур и особенностей взаимодействия кэш и оперативной памяти современных вычислительных систем.
Память — совокупность устройств, служащих для приема, хранения и выдачи данных в центральный процессор или внешнюю среду компьютера. Основные операции с памятью — запись и чтение. Организация памяти имеет сложный характер и строится по иерархическому принципу. Основная идея такой иерархии – согласование скоростей работы операционных устройств, в первую очередь процессора, с запоминающими устройствами. Типовая организация памяти имеет вид, представленный на рис. 6.1, где показаны диапазоны значений емкости и производительности устройств памяти для современных компьютеров.
Кэш-память разбивается на строки по 32 байта, соответствующие одному стандартному пакетному циклу обращения к динамической памяти. На такие же строки условно разделяются и страницы основной памяти. Обмен информацией между ними осуществляется строками, даже если необходимо передать только один байт.
Процессор, выполняя команду, запрашивает операнд по некоторому адресу в адресном пространстве. Кэш-контроллер проверяет, есть ли в кэш-памяти строка данных, соответствующая запрашиваемому адресу. В случае наличия такой строки ситуация называется кэш-попадание. Если строки в кэш-памяти нет, то происходит кэш-промах, и кэш-контроллер инициирует обращение к основной памяти ОП для переписи из нее нужной строки в кэш-память.
Регистровая память или регистровый файл изготавливается в кристалле процессора по такой же технологии и имеет такое же быстродействие, как и операционные элементы процессора. Кэш-память первого уровня также выполняется внутри процессора, что дает возможность обращения к командам и данным с тактовой частотой работы процессора. Во многих современных моделях процессоров кэш-память второго уровня интегрирована в ядро процессора или на его картридж. При этом возможна организация кэш-памяти третьего уровня, выполненной на отдельной микросхеме с высоким быстродействием.
Организация кэш-памяти
Основная задача кэш-памяти – согласование работы быстрого процессора и медленной основной памяти. Кэш-память исполняет роль буфера между ОП и процессором (рис. 6.2). Использование кэш-памяти базируется на «принципе локальности ссылок». Это означает, что следующее обращение к памяти в программе с большой вероятностью произойдет к тому же блоку данных, который находится в данный момент в кэш-памяти.
В связи с этим возникает проблема замены какой-либо строки в кэше на новую строку из ОП. Для этого используют специальные дисциплины замещения строк. Эти функции выполняет кэш-контроллер.
В современных вычислительных системах используются три типа организации кэш-памяти:
с прямым отображением;
полностью ассоциативная;
множественно-ассоциативная.
1. Кэш-память с прямым отображением
Каждая строка кэш-памяти может содержать строку основной памяти только из определенного подмножества адресов, причем эти подмножества не пересекаются. Поиск состоит из следующих шагов:
определение, в какое из подмножеств адресов основной памяти попадает адрес строки, выработанный процессором;
обращение к единственной соответствующей строке и сравнение ее тега с адресом от центрального процессора для определения, является ли эта строка искомой.
На рис. 6.3. приведен пример структуры кэш-памяти с прямым отображением. Для простоты дана структура ОП, содержащей 16 строк данных, и кэш-память объемом в четыре строки. Все строки основной памяти, имеющие S одинаковых младших разрядов, объединяются в подмножества, которые могут отображаться в кэше в строке с индексом, равным коду этих разрядов. В нашем примере индекс образуют два младших разряда. Следовательно, например, строки 1, 5, 9 и 13 могут находиться только в строке кэша с индексом 01 и ни в какой другой.
В общем случае, если разрядность адреса ОП равна N, а разрядность индекса – n, то адресные теги содержат оставшиеся N-n разрядов адреса строки.
Преимущество описываемой кэш-памяти в простоте организации и низкой стоимости. Основной недостаток - ограниченное число комбинаций строк в кэше, что приводит к увеличению процента кэш-промахов. Например, строки 5 и 9 не могут одновременно находиться в кэш-памяти, даже если есть свободные места для других индексов.