Назовите типы кэш-памяти и опишите идею, на которой она была основана. Приведите методы записи информации в кэш-память

Кэш-память с прямым отображением. Размещая элемент данных, не имеем возможности

выбора. Для каждого элемента место фиксировано.

Каждый адрес состоит из двух частей.

Первая часть представляет собой поле индекса кэш-памяти.

Эта часть должна иметь достаточный размер, чтобы вместить адрес блока в кэш-памяти.

Вторая часть, поле признака (тега), содержит биты, позволяющие различать блоки, которые могут быть записаны в конкретную ячейку кэш-памяти.

Основной недостаток способа прямого отображения заключается в том, что контроллер выделяет для конкретного участка основной памяти единственное место в кэш-памяти. Если программа попеременно обращается к двум конфликтующим в кэш-памяти ячейкам, в кэш-памяти каждый раз будет осуществляться подкачка.

1. Полностью ассоциативная кэш-память. Ограничения на расположение элементов в кэш-памяти сняты.

Недостаток: Необходимо использовать ассоциативную память, реализующую большое число сравнений для определения кэш-попаданий и место блока в кэш-памяти.

В такой архитектуре для определения наличия затребованных данных в кэш-памяти требуется сравнение со старшей частью адреса тегов всех строк, а не одной или нескольких, как при прямом отображении или наборно-ассоциативной архитектуре. Естественно, последовательный перебор ячеек памяти тегов отпадает – на это может уйти слишком много времени. Остается параллельный анализ всех ячеек, что является сложной аппаратной задачей, которая пока решена только для небольших объемов первичного кэша в некоторых процессорах. Применение полностью ассоциативной архитектуры во вторичном кэше пока не предвидится.

2. Множественно ассоциативная кэш-память.

Компромиссным вариантом между первыми двумя алгоритмами является множественный ассоциативный кэш или частично-ассоциативный кэш. При этом способе организации кэш-памяти строки объединяются в группы, в которые могут входить 2, 4, : строк. B соответствии c количеством строк в таких группах различают 2-входоеый, 4-вxoдoeый и т.п. ассоциативный кэш. При обращении к памяти физич-й адрес разбивается на три части: смещение в блоке (строке кэша), номер группы (набора) и тег. блок памяти, адрес которого соответствует определенной группе, может быть размещен в любой строке этой группы, и в теге строки размещается соответствующее значение. Очевидно, что в рамках выбранной группы соблюдается принцип ассоциативности. C другой стороны, тот или иной блок может попасть только в строго определенную группу, что перекликается с принципом организации кэша прямого отображения. для того чтобы процессор смог идентифицировать кэш-промах, ему надо будет проверить теги лишь одной группы.

данный алгоритм отображения сочетает достоинства как полностью ассоциативного кэша (хорошая утилизация памяти, высокая скорость), таки кэша прямого доступа (простота и дешевизна), лишь незначительно уступая по этим характеристикам исходным алгоритмам. Именно поэтому множественный ассоциативный кэш наиболее широко распространен.

Методы записи в КЭШ память.

Возможны два способа записи в КЭШ память:

1)метод сквозной записи;

2)метод обратной записи.

Первый метод предполагает наличие двух копий данных: одной в КЭШ памяти, а другой в ОЗУ. Запись выполняется одновременно и в КЭШ и в ОЗУ. В результате системная шина и процессор работают с большой нагрузкой, поскольку на каждую операцию изменения данных приходится две операции записи. Метод сквозной записи имеет преимущество в том, что ОЗУ всегда имеет свежую копию данных, что важно в мультипроцессорных системах и при организации ввода-вывода данных. Кроме того сквозная запись имеет простую схемную реализацию. Такой метод записи использовался в 80486 микропроцессоре фирмы Intel.

При использовании метода обратной записи цикл записи происходит только в КЭШ памяти, если в КЭШе находится строка, к которой идет обращение (КЭШ попадание). Если адресуемой строки в КЭШ нет, то информация записывается сразу в ОЗУ. При КЭШ попадании запись в ОЗУ происходит только при замещении строки КЭШа. Для сокращения частоты копирования строк запись в ОЗУ происходит только в том случае, если замещаемая строка КЭШа была модифицирована, то есть изменена. Для определения факта изменения строки с каждой строкой КЭШа связывают так называемый «бит модификации». Этот бит показывает, была ли изменена строка в КЭШ памяти или нет. Если строка в КЭШ не модифицирована, то обратное копирование отменяется, поскольку ОЗУ содержит туже самую информацию, что и КЭШ память.

Преимущество данного метода заключается в том, что запись выполняется со скоростью КЭШ памяти. А несколько записей на одну и туже строку КЭШа требует только одной записи – в ОЗУ, что снижает загрузку системной шины. Запись с обратным копированием используется в Pentium.

3. Шинные формирователи. Функционирование. Схема ШФ К580ВА86 и временная диаграмма его работы. Параметры ШФ.

Шинные формирователи (ШФ), называемые также приемопередатчиками, шинными драйверами или магистральными вентиль - буферами, включаются между источником информации и шиной. Они усиливают сигналы по мощности при работе на шину, отключают источник информации от шины, когда он не участвует в обмене, формируют при необходимости требуемые уровни сигналов логической 1 или 0. ШФ различаются разрядностью и передачей сигналов в прямом или инверсном виде.

Шина А принимает данные от МП или передает их ему, шина В связана с магистралью, на которую передает инф. или с которой принимает ее.

Сигнал ОЕ переводит выходы усилителей в третье состояние (при его высоком уровне), либо разрешает их работу (при низком уровне). При разрешении работы направление передачи зависит от сигнала Т.

Функционирование ШФ подчиняется условиям указанным в таблице:

ШФ формирует уровни выходных напряжений (U) соответствующего «1» не меньше 2.4 В и «0» не более 0.5 В.

4. Внешние запоминающие устройства, их основные характеристики, классификация.

Внешняя память компьютера предназначена для долговременного хранения информации. Внешние ЗУ также называют накопителем.

Накопители на магнитных лентах называются стримерами. В современных стримерах используются специальные кассеты (картриджи) с магнитной лентой. Стримеры имеют разные стандарты, определяющие интерфейс с компьютером, формат магнитной ленты, методы кодирования и сжатия.

По типу носителя различают ВЗУ с подвижным и неподвижным носителем. Если поиск, запись и считывание информации сопровождаются механическим перемещением носителя, то такие ВЗУ называют накопителями с подвижным носителем. К этой категории относят накопители на магнитных лентах (НМЛ), магнитных дисках (НМД) и оптических дисках (НОД). Накопители на основе цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) относятся к накопителям второй категории. Реже во ВЗУ используют объемную запись - полупроводниковые ЗУ, приборы с зарядной связью.

Жесткие несменные диски называются винчестерами. Они представляют собой систему, состоящую из механического привода головок чтения-записи, нескольких носителей и контроллера, обеспечивающего работу всего устройства. Магнитная головка (несколько магнитных головок в специальном позиционере) является одной из наиболее важных частей устройства. Носитель информации состоит из нескольких дисков, каждый из которых имеет две рабочие поверхности. При записи информации используются магнитные свойства слоя, нанесенного на поверхность.

Гибкие диски (floppy) в зависимости от размера бывают двух видов — 5,25". и 3,5". Операции чтения/записи осуществляются контактным способом, т. е. при соприкосновении магнитной головки устройства с поверхностью носителя. У таких носителей невысокая плотность записи, скорость обмена, значительное время доступа.

Магнитооптические диски имеют различную емкость от 128 Мбайт до 640 Мбайт. Запись производится после нагревания лазером магнитного слоя до определенной температуры. Надежность хранения информации обеспечивается тем, что при обычной температуре информация не подвержена действию внешних магнитных полей.

Устройства CD-ROM используют носители емкостью до 650 Мбайт, представляющие собой диски со светоотражающим слоем на одной стороне, где хранится информация. На диск нанесена дорожка-спираль от центра к краю диска, состоящая из отражающих и не отражающих свет точек; считывание производится лазерным лучом.

Накопители CD-R позволяют лишь однократно записывать информацию на диски. Луч лазера прожигает пленку на поверхности диска, меняя его отражающую способность. Перезапись при этом невозможна. Такие диски считываются на любом приводе CD-ROM.

Накопители CD-RW позволяют делать многократную запись на диск. Здесь используются свойство рабочего слоя переходить под воздействием лазерного луча в кристаллическое или аморфное состояние, имеющие разную отражательную способность.

Накопители DVD предназначены для хранения видео, аудио, высокого качества, компьютерной информации большого объема. Плотность записи выше, чем у обычных CD-ROM.+

Накопители DVD-RAM позволяют записывать и перезаписывать информацию.

В последние годы в ПК стали использоваться новые ЗУ — флэш-память. Модули или карты флэш-памяти могут устанавливаться прямо в разъемы материнской платы. Флэш-память обладает рядом преимуществ в использовании: высокая надежность и ударопрочность, малое энергопотребление. Одним из основных преимуществ флэш-памяти является ее компактность, поэтому она постепенно все активнее применяется для хранения и переноса данных.

Основными техническими характеристиками ВЗУ являются:

1) информационная емкость определяет наибольшее количество единиц данных, которое может одновременно храниться в ВЗУ. Она зависит от площади и объема носителя, а также от плотности записи;

2) плотность записи - число бит информации, записанных на единице поверхности носителя. Различают продольную плотность (бит/мм), т.е. число бит на единице длины носителя вдоль вектора скорости его перемещения (по дорожке), и поперечную плотность (бит/мм), т.е. число бит на единице длины носителя в направлении, перпендикулярном вектору скорости (число дорожек);

3) время доступа, т.е. интервал времени от момента запроса (чтения или записи) до момента выдачи блока. Это время включает в себя время поиска информации на носителе и время чтения или записи;

4) скорость передачи данных определяет количество данных, считываемых или записываемых в единицу времени и зависит от скорости движения носителя, плотности записи, числа каналов и т.п.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 6