Типовая структура кэш-памяти

Рассмотрим типовую структуру кэш-памяти (рис. 8.18), включающую основные блоки, которые обеспечивают её взаимодействие с ОП и центральным процессором.

Рис. 8.18. Типовая структура кэш-памяти

Строки, составленные из информационных слов, и связанные с ними адресные теги хранятся в накопителе, который является основой кэш-памяти. Адрес требуемого слова, поступающий от центрального процессора (ЦП), вводится в блок обработки адресов, в котором реализуются принятые в данной кэш-памяти принципы использования адресов при организации их сравнения с адресными тегами. Само сравнение производится в блоке сравнения адресов (БСА), который конструктивно совмещается с накопителем, если кэш-память строится по схеме ассоциативной памяти. Назначение БСА состоит в выявлении попадания или промаха при обработке запросов от центрального процессора. Если имеет место кэш-попадание (т.е. искомое слово хранится в кэш-памяти, о чём свидетельствует совпадение кодов адреса, поступающего от центрального процессора, и одного из адресов некоторого адресного тега), то соответствующая строка из кэш-памяти переписывается в регистр строк. С помощью селектора-демультиплексора из неё выделяется искомое слово, которое и направляется в центральный процессор. В случае промаха с помощью блока формирования запросов осуществляется инициализация выборки из ОП необходимой строки. Адресация ОП при этом производится в соответствии с информацией, поступившей от центрального процессора. Выбираемая из памяти строка вместе со своим адресным тегом помещается в накопитель и регистр строк, а затем искомое слово передается в центральный процессор.

Для высвобождения места в кэш-памяти с целью записи выбираемой из ОП строки одна из строк удаляется. Определение удаляемой строки производится посредством блока замены строк, в котором хранится информация, необходимая для реализации принятой стратегии обновления находящихся в накопителе строк.

Способы размещения данных в кэш-памяти.

Существует четыре способа размещения данных в кэш-памяти:

¨ прямое распределение,

¨ полностью ассоциативное,

¨ частично ассоциативное,

¨ распределение секторов.

Рассмотрим подробно каждый способ размещения и механизмы преобразования адресов. Предположим, что кэш содержит 128 строк, размер строки 16 слов, а основная память может содержать 16384 строки. Для адресации основной памяти используется 18 бит. Из них 14 старших показывают адрес строки, а младшие 4 – адрес слова внутри этой строки. Строки КЭШ-памяти указываются 7-разрядными адресами.

Прямое распределение.

При прямом распределении место хранения строк в кэш-памяти однозначно определяется по адресу строки. Структура кэш-памяти с прямым распределением показана на рис. 8.19.

Рис. 8.19. Структура кэш-памяти с прямым распределением

Адрес основной памяти состоит из 14-ти разрядного адреса строки и 4-х разрядного адреса слова внутри этой строки. Адрес строки подразделяется на старшие 7 бит (тег) и младшие 7 бит (индекс). Для того чтобы поместить в кэш-память строку из основной памяти с адресом АВС, выбирается область внутри кэш-памяти с адресом В, который равен 7 младшим битам адреса строки АВ. Преобразование из АВС в В сводится только к выборке младших 7 бит адреса строки АВ. По адресу В в кэш-памяти может быть помещена любая из 128 строк основной памяти, имеющих адрес, 7 младших бит которого равны адресу В. Для того, чтобы определить, какая именно строка хранится в памяти данных в настоящий момент времени, используется запоминающее устройство емкостью 7*128 слов, в котором помещается по соответствующему адресу в качестве тега 7 старших бит адреса строки, хранящейся в данное время по адресу В кэш-памяти. Это запоминающее устройство называется теговой памятью. Память, в которой хранятся строки, называется памятью данных. Тег из теговой памяти считывается по адресу В, который образует 7 младших бит адреса строки АВ. Параллельно считыванию тега осуществляется доступ к памяти данных с помощью 11 младших бит (ВС) адреса основной памяти АВС. Если тег и старшие 7 бит адреса основной памяти совпадают, значит что данная строка существует в памяти данных (строка-V), то есть осуществляется кэш-попадание.

Если же происходит кэш-промах, то есть тег отличается от старших 7 бит, то из основной памяти считывается соответствующая строка, а из кэш-памяти удаляется строка-V, определяемая 7 младшими разрядами адреса строки, а на ее место помещается строка, считанная из основной памяти. Осуществляется также обновление соответствующего тега в теговой памяти. Способ прямого распределения реализуется довольно просто, однако из-за того, что место хранения строки в кэш-памяти однозначно определяется по адресу строки, вероятность сосредоточения областей хранения строк в некоторой части кэш-памяти высока, то есть замены строк будут происходить довольно часто. В этой ситуации эффективность кэш-памяти заметно снижается.