Разновидности строения кэш-памяти

Одним из основных вопросов увеличения эффективности кэш-памяти является следующий: должны ли команды и данные находится вместе в общей кэш-памяти. Очевидно, разработать смежную кэш-память, в которой хранятся и данные и команды проще. При этом вызов команд и данных автоматически уравновешивается. Тем не менее в настоящее время преобладает тенденция к применению разделенной кэш-памяти, когда команды хранятся в одной кэш-памяти, а данные в другой. Существует три основных способа организации кэш-памяти:

МП

Команды Данные

МП

Команды Данные

КЭШ

данных

КЭШ

КЭШ

команд

КЭШ

команд

Команды Данные

ОП

Команды Данные

ОП

«а» «в» «с»

Рис. 6.6 Разновидности строения кэш-памяти

В первом случае (а) кэш хранит как команды, так и адреса, а во втором случае (в) кэши разделены, но шина для данных и для команд одна общая (однофазная Гарвардская архитектура). Есть еще и третья возможность – полная Гарвардская архитектура (с), которая подразумевает не только хранение данных и команд в двух раздельных кэшах, но и наличие полностью раздельных шин. Разделенная кэш-память позволяет осуществлять параллельный доступ и к данным, и к операндам. К тому же, поскольку команды обычно не меняются во время исполнения программы, содержание командной кэш-памяти не приходится переписывать обратно в ОП.

После процессора i486, в процессорах Pentium используется раздельная кэш-память команд и данных емкостью по 8-16 Кбайт, что обеспечивает независимость обращений. За один такт из каждой кэш-памяти могут считываться два слова. При этом кэш-память данных построена на принципах двух кратного расслоения, что обеспечивает одновременное считывание двух слов, принадлежащих одной строке кэш-памяти. Для повышения эффективности перезагрузки кэш-памяти в процессоре применяется 64-битовая внешняя шина данных. В настоящее время между разделенной кэш-памятью первого уровня помещается кэш второго уровня и, даже, третьего уровня. Мы уже упоминали что наличие кэш-памяти существенно ограничивает полезную площадь кристалла (Alpha 21164 компании Digital имеет 50% площади кристалла под кэш), но это не вся правда. Для производительной работы кэша необходимы эффективные алгоритмы внеочередного и спекулятивного выполнения (выборки) команд. А это, в свою очередь, приводит к неоправданному усложнению архитектуры процессора. Сравните: процессор MIPS R5000 – простой RISC процессор, процессор MIPS R10000 – сложный CPU со всеми возможностями спекулятивного выполнения выборки и исполнения команд. Производительность его всего лишь на 1,6 раза выше, чем у R5000 , зато площадь больше в 3,4 раза. В последнее время идут интенсивные работы по интегрированию на кристалле динамической памяти с произвольной выборкой (DRAM) вместо кэшей на SRAM. Это направление получило название интеллектуальной памяти – IRAM. Интегрированная на кристалл оперативная память занимает такую же площадь, что и кэш SRAM, но способна вместить в 30-40 раз больше данных.

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной системой. Обычно ОС располагается в самых младших адресах, однако может занимать и самые старшие адреса. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов; вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место; а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти. Все выше перечисленное относится к логической организации памяти.

Выводы

Память – это одно из основных устройств ЭВМ, которое служит для хранения программ и данных.

Память ЭВМ - это совокупность всех запоминающих устройств, входящих в состав машины.

Память компьютера – система иерархическая, состоящая из нескольких уровней.

Внутренняя память может строиться на самых разнообразных физических принципах, но по своему функциональному назначению различается на ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ и др.

Современные ОЗУ изготавливаются в виде полупроводниковых микросхем двух типов – статических и динамических.

Для разрешения проблемы соответствия времени обработки данных в процессоре и времени обращения к ОП применяется структура многоуровневого буфера – кэш-память.

В современных компьютерах кэш-память обычно реализуется по двух и трехуровневой схеме. При этом кэш 1-го уровня выполняется непосредственно на кристалле процессора, а кэш 2-го уровня (3-го) устанавливается на системной плате.

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы.