Трансляция адреса. Буфер ассоциативной трансляции (TLB)

Для ускорения преобразования адресов в блоке управления страницами используется ассоциативная память, где кэшируется 32 дескриптора активно используемых страниц. Это позволяет по номеру витруальной страницы быстро извлекать номер физической страницы без обращения к таблицам разделов и страниц.

Буфер ассоциативной трансляции (англ. Translation lookaside buffer, TLB) — это специализированный кэш центрального процессора, используемый для ускорения трансляции адреса виртуальной памяти в адрес физической памяти. TLB используется всеми современными процессорами с поддержкой страничной организации памяти. TLB содержит фиксированный набор записей (от 8 до 4096) и является ассоциативной памятью. Каждая запись содержит соответствие адреса страницы виртуальной памяти адресу физической памяти. Если адрес отсутствует в TLB, процессор обходит таблицы страниц и сохраняет полученный адрес в TLB, что занимает в 10—60 раз больше времени, чем получение адреса из записи, уже закешированной TLB. Вероятность промаха TLB невысока и составляет в среднем от 0,01 % до 1 %.

В современных процессорах может быть реализовано несколько уровней TLBс разной скоростью работы и размером. Самый верхний уровень TLB будет содержать небольшое количество записей, но будет работать с очень высокой скоростью, вплоть до нескольких тактов. Последующие уровни становятся медленнее, но, вместе с тем и больше.

Иногда верхний уровень TLB разделяется на 2 буфера, один для страниц, содержащих исполняемый код, и другой — для обрабатываемых данных.

Иерархия запоминающих устройств и кэширование данных. Принципы работы кэш - памяти. Детерминированный и случайный способы отображения основной памяти на кэш. Проблема согласования данных. Схемы выполнения запросов в схемах с двухуровневой кэш памятью.

Иерархия запоминающих устройств:

Память часто называют «узким местом» фон-Неймановских ВМ из-за ее серьезного отставания по быстродействию от процессоров, причем, разрыв этот неуклонно увеличивается.

Так, если производительность процессоров возрастает вдвое примерно каждые 1,5 года, то для микросхем памяти прирост быстродействия не превышает 9% в год (удвоение за 10 лет), что выражается в увеличении разрыва в быстродействии между процессором и памятью приблизительна на 50% в год.

При создании системы памяти постоянно приходится решать задачу обеспечения требуемой емкости и высокого быстродействия за приемлемую цену. Наиболее эффективным решением является создание иерархической памяти. Иерархическая память состоит из ЗУ различных типов (см. рисунок ниже), которые, в зависимости от характеристик, относят к определенному уровню иерархии.

Более высокий уровень меньше по емкости, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на бит, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и т. д.

Фундамент пирамиды – внешняя память (жесткий и гибкий магнитный диск, магнитные ленты, оптические диски, флэшки):

6. Объем – десятки и сотни гигабайт

7. Время доступа – десятки миллисекунд

Оперативная память:

8. Объем – гигабайты

9. Время доступа – 10-20 наносекунд

10. Реализуется на относительно медленной динамической памяти DRAM

Быстродействующая память (ее же называют Кэш??)

11. На основе статической памяти SRAM

12. Объем – десятки-сотни килобайт

13. Время доступа – до 8 наносек

Регистры процессора

14. Объем – десятки байт

15. Время доступа – 2-3 наносекунды (определяется быстродействием процессора)

Кэширование данных

Чем быстрее память, тем она дороже. Но нам хотелось бы быструю и недорогую память. Для этого есть компромиссное решение – кэширование.

Кэширование– это способ совместного функционирования двух типов запоминающих устройств, отличающихся временем доступа и стоимостью хранения данных. При кэшировании за счет копирования наиболее часто использующихся фрагментов информации из медленного ЗУ в быстрое достигается уменьшение времени доступа к данным, но при этом экономится быстродействующая память.

При этом КЭШем называют не только способ организации памяти, но и само быстрое ЗУ, куда производится копирование информации. Более медленное ЗУ называют основной памятью.

Кэширование – универсальный метод, пригодный для ускорения доступа к:

- оперативной памяти – роль КЭШа выполняет быстрая память

- к данным, хранящимся на диске – роль КЭШа выполняют буферы в оперативной памяти

- к другим видам ЗУ.

Виртуальная память по сути – тоже разновидность кэширования, где оперативная память выступает в роли КЭШа по отношению к диску. Правда здесь цель – не ускорение доступа, а увеличение объема и подмена оперативной памяти.