Виды и принципы работы кэш-памяти

Реферат по предмету: Информатика и Вычислительная Техника выполнил студент группы 4381С Гаффарова Р.З.

Камский Государственный Политехнический Институт

Кафедра ЭОУП

г. Набережные Челны

2003 г.

Одним из важнейших устройств компьютера является память, или запоминающее устройство (ОЗУ). По определению, данном в книге "Информатика в понятиях и терминах", ОЗУ - "функциональная часть цифровой вычислительной машины, предназначенной для записи, хранения и выдачи информации, представленных в цифровом виде." Однако под это определение попадает как собственно память, так и внешние запоминающие устройства (типа накопителей на жестких и гибких дисках, магнитной ленты, CD-ROM), которые лучше отнести к устройствам ввода/вывода информации. Таким образом под компьютерной памятью в дальнейшем будет пониматься только "внутренняя память компьютера: ОЗУ, ПЗУ, кэш память и флэш-память".

Однако ОЗУ работает намного медленнее процессора. Другое дело - кэш. Очень быстрая и очень дорогая память. Но именно из-за дороговизны в компьютерной системе объем кэш составляет всего 10-15% от объема обычной ОЗУ. А также используются специальные алгоритмы работы материнской платы и процессора, обеспечивающие максимальную производительность при наличии встроенной кэш-памяти.

1. Общие понятие о кэшировании и кэш-памяти

Существующая уже более 100 лет архитектура компьютера, предложенная еще Фон Нейманом, практически не претерпела изменения. Все также процессор окружает оперативная, постоянная и внешняя память. И все также оперативная память, являющаяся одной из скоростных элементов памяти внутри компьютера, не достигает по скорости процессор на несколько порядков.

Естественно, что такой «тормоз» в виде одного из необходимых элементов компьютера не устраивал его создателей. Тем более, что в больших компьютерах уже давно существовало понятие кэш-памяти (cashe-memory), более быстрой, чем ОЗУ, но меньшей емкости. Было решено перенести ее архитектуру с БЭВМ на обычные персональные компьютеры.

Принцип работы кэш-памяти заключается в следующем. Процессор редко использует весь объем ОЗУ практически одновременно. Скакать из одного угла памяти в другой, периодически пошвыриваясь по всему ее объему – это не лучший способ использования ресурсов компьютера. Зачастую все обращения процессора к памяти сосредоточены в небольшой области (как показывает статистика – 5-10% от общего объема). Если данные из этой области как либо аппаратно скопировать в кэш, а затем постоянно сверять кэш и ОЗУ на предмет целостности данных, то можно обеспечить режим работы, при котором процессор будет обращаться только к кэш-памяти, тратя на это значительно меньше ресурсов и времени, чем обычно.

Естественно, что весь объем ОЗУ скопировать в кэш нет возможности – такой объем кэш-памяти по цене сравнивается со стоимостью компьютера, а смысла уменьшать объем ОЗУ тоже нет. Было решено реализовать алгоритм работы процессора, кэш-памяти и ОЗУ аппаратно, чтобы не тратить ресурсы процессора.

Принцип заключается в следующем: когда процессор обращается к определенной ячейке памяти, сегмент памяти определенного объема (этот объем называется объемом страницы кэш) копируется в кэш полностью. Если процессор дальше не совершит глобальный скачек на другой, далекий от текущего, адрес памяти, то дальнейшая работа процессора будет происходить напрямую с кэш, минуя ОЗУ, а контроллер кэш-памяти в промежутках, когда процессор занят вычислениями (либо параллельно с работой процессора) будет восстанавливать верные данные в ОЗУ либо в кэш (в случае наличия устройств, напрямую работающих с памятью). Естественно, чем больше будет страниц и чем больше будет их объем – тем выше будет скорость работы процессора.

Начиная с 386-х процессоров кэш-память устанавливалась на большинство материнских плат. Все это позволяло повышать производительность систем не в разы, а на порядки. Но с выходом 486 процессора кэш-память была разделена: появился кэш, реализованный непосредственно на кристалле процессора (в 486DX). Несмотря на малый его объем – 1 Кб – это уже был скачек в производительности и очень большой: ведь кэш, расположенный на кристалле процессора работает на частоте процессора, что в несколько раз превышает скорость работы кэш-памяти, установленной на материнской плате.

Начиная с 486 процессоров кэш-память испытывает подобное разделение на кэш 1-го уровня – установленный на кристалле (или в одном корпусе) процессора и работающий с ним на одной частоте, и кэш 2-го уровня, установленный на материнской плате, работающий быстрее обычной ОЗУ, но медленнее КЭШа первого уровня.

Однако этим не ограничивается использования кэш-памяти. Ведь таким образом ее можно использовать там, где существует проблема быстродействия, но есть возможность упорядочить данные. К таким применениям относят:

аппаратное кэширование жестких дисков (кэш-память устанавливается непосредственно на жестком диске либо на специальном контроллере);

программное кэширование CD-ROM, а также прочих устройств хранения информации (программно – при помощи операционной системы, аппаратно – на самом устройстве либо на контроллере).

И не только: сегодня зачастую даже самое простейшее устройство обладает своей памятью, работающей быстрее, чем само устройство. К таким относят принтеры, сканеры, модемы и т.д.

Но все-таки наиболее популярной является кэш-память первого уровня (процессорная) и второго (установленная на материнской плате).

2. Внутренний кэш процессора

Внутренне кэширование обращений к памяти применяется в процессорах, начиная с 486-го. С кэшированием связаны новые функции процессоров, биты регистров и внешние сигналы.

Процессоры 486 и Pentium имеют внутренний кэш первого уровня, в Pentium Pro и Pentium II имеется и вторичный кэш. Процессоры могут иметь как единый кэш инструкций и данных, так и общий. Выделенный кэш инструкций обычно используется только для чтения. Для внутреннего кэша обычно используется наборно-ассоциативная архитектура.

Строки в кэш-памяти выделяются только при чтении, политика записи первых процессоров 486 – только Write Through (сквозная запись) – полностью программно-прозрачная. Более поздние модификации 486-го и все старшие процессоры позволяют переключаться на политику Write Back (обратная запись).

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки