260 Глава 5. Память

У рассматриваемого метода есть разновидность — метод флаговой обратной записи. Когда в какой-то строке кэша производится изменение, устанавливается связанный с этой строкой бит изменения (флажок). При замещении строка из кэшпамяти переписывается в ОП только тогда, когда ее флажок установлен в 1. Ясно, что эффективность флаговой обратной записи несколько выше. Такой метод используется в микропроцессорах класса i486 и Pentium фирмы Cyrix.

В среднем обратная запись на 10% эффективнее сквозной записи, но для ее реализации требуются и повышенные аппаратные затраты. С другой стороны, практика показывает, что операции записи составляют небольшую долю от общего количества обращений к памяти. Так, в [194] приводится число 16%. Другие авторы оценивают долю операций записи величинами в диапазоне от 5 до 34%. Таким образом, различие по быстродействию между рассмотренными методами невелико.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда в основную память из устройства ввода, минуя процессор, заносится новая информация и неверной становится копия, хранящаяся в кэш-памяти. Предотвратить подобную несогласованность позволяют два приема. В первом случае система строится так, чтобы ввод любой информации в ОП автоматически сопровождался соответствующими изменениями в кэш-памяти. Для второго подхода «прямой» доступ к основной памяти допускается только через кэш-память.

Смешанная и разделенная кэш-память

Когда в микропроцессорах впервые стали применять внутреннюю кэш-память, ее обычно использовали как для команд, так и для данных; Такую кэш-память Принято называть смешанной, а соответствующую архитектуру — Принстонской (Prin- ' ceton architecture), по названию университета, где разрабатывались ВМ с единой памятью для команд и данных, то есть соответствующие классической архитектуре фон-Неймана. Сравнительно недавно стало обычным разделять кэш-память на две — отдельно для команд и отдельно для данных. Подобная архитектура получила название Гарвардской (Harvard architecture), поскольку именно в Гарвардском университете был создан компьютер «Марк-1» (1950 год), имевший раздельные ЗУ для команд и данных.

Смешанная кэш-память обладает тем преимуществом, что при заданной емкости ей свойственна более высокая вероятность попаданий по сравнению с разделенной, поскольку в ней оптимальный баланс между командами и данными устанавливается автоматически. Так, если в выполняемом фрагменте программы обращения к памяти связаны в основном с выборкой команд, а доля обращений к данным относительно мала, кэш-память имеет тенденцию насыщаться командами, и наоборот.

С другой стороны, при раздельной кэш-памяти выборка команд и данных может производиться одновременно, при этом исключаются возможные конфликты. Последнее обстоятельство существенно в системах, использующих конвейеризацию команд, где процессор извлекает команды с опережением и заполняет ими буфер или конвейер.

В табл. 5.7 приведены основные параметры внутренней кэш-памяти для наиболее распространенных типов микропроцессоров.


	Кэш-память 2 61
	Микропроцессор	Размер, Кбайт
	DEC Alpha 21064	8-К/8-Д
	IBM PowerPC 601	->^-'^{^ Тяйттиця S 7 Орган
	IBM PowerPC 603	8-К/8-Д
	IBM PowerPC 604	16-К/16-Д
	IBM PowerPC 620	32 - К/32-Д
	Intel 486DX2	8-С
	Intel Pentium	8-К/8-Д
	MIPSR4000SC	8-К/8-Д
	MIPS R10000	32-К/32-Д
	Motorola 88110	8-К/8-Д
	SUNSuperSPARC	20-К/16-Д
	SUN UltraSPARC	16-К/16-Д

кэш

Следует добавить, что в некоторых ВМ, помимо кэш-памяти команд и кэш-памяти данных, может использоваться и адресная кэш-память (в устройствах управления памятью и при преобразовании виртуальных адресов в физические).

Одноуровневая и многоуровневая кэш-память

Современные технологии позволяют разместить кэш-память и ЦП на общем кристалле. Такая внутренняя кэш-память строится по технологии статического ОЗУ и является наиболее быстродействующей. Емкость ее обычно не превышает 64 Кбайт. Попытки увеличения емкости обычно приводят к снижению быстродействия, главным образом из-за усложнения схем управления и дешифрации адреса. Общую емкость кэш-памяти ВМ увеличивают за счет второй (внешней) кэш-памяти, расположенной между внутренней кэш-памятью и ОП. Такая система известна под названием двухуровневой, где внутренней кэш-памяти отводится роль первого уровня (L1), а внешней — второго уровня (L2). Емкость L2 обычно на порядок больше, чем у L1, а быстродействие и стоимость — несколько ниже. Память второго уровня также строится как статическое ОЗУ. Типичная емкость кэш-памяти второго уровня — 256 и 512 Кбайт, реже — 1 Мбайт, а реализуется она, как правило, в виде отдельной микросхемы, хотя в последнее время L2 часто размещают на одном кристалле с процессором, за счет чего сокращается длина связей и повышается быстродействие.

При доступе к памяти ЦП сначала обращается к кэш-памяти первого уровня. В случае промаха производится обращение к кэш-памяти второго уровня. Если информация отсутствует и в L2, выполняется обращение к ОП и соответствующий блок заносится сначала в L2, а затем и в L1. Благодаря такой процедуре часто запрашиваемая информация может быть быстро восстановлена из кэш-памяти второго уровня.

'К— кэш-память команд, Д — кэш-память данных, С — смешанная кэш-память.

2 6 2 Глава 5. Память

Среднее время доступа Г„ к одноуровневой кэш-памяти можно оценить как:

где 7*_ш — 1время обращения при попадании; K_Ltm— коэффициент промахов; Тщ* ~~ потери на промах. Для двухуровневой кэш-памяти имеем:

Потенциальная экономия за счет применения L2 зависит от вероятности попаданий как в L1, так и в L2. Ряд исследований показывает, что использование кэшпамяти второго уровня существенно улучшает производительность.

В большинстве семейств микропроцессоров предусмотрены специальное ИМС контроллеров внешней кэш-памяти, например микросхема 8291 для микропроцессора Intel 486 или 82491 — для Intel Pentium. Для ускорения обмена информацией между ЦП и L2 между ними часто вводят специальную шину, так называемую шину заднего плана, в отличие от шины переднего плана, связывающей ЦП с основной памятью.

Количество уровней кэш-памяти не ограничивается двумя. В некоторых ВМ уже можно встретить кэш-память третьего уровня (L3) и ведутся активные дискуссии о введении также и кэш-памяти четвертого уровня (L4). Характер взаимодействия очередного уровня с предшествующим аналогичен описанному для L1 и L2. Таким образом, можно говорить об иерархии кэш-памяти. Каждый последующий уровень характеризуется большей емкостью, меньшей стоимостью, но и меньшим быстродействием, хотя оно все же выше, чем у ЗУ основной памяти.

Дисковая кэш-память

Концепция кэш-памяти применима и к дисковым ЗУ. Принцип кэширования дисков во многом схож с принципом кэширования основной памяти, хотя способы доступа к диску и ОП существенно разнятся. Если время обращения к любой ячейке ОП одинаково, то для диска оно зависит от целого ряда факторов. Во-первых, нужно затратить некоторое время для установки головки считывания/записи на нужную дорожку. Во-вторых, поскольку при движении головка вибрирует, необходимо подождать, чтобы она успокоилась. В-третьих, искомый сектор может оказаться под головкой также лишь спустя некоторое время.

Дисковая кэш-память представляет собой память с произвольным доступом, «размещенную» между дисками и ОП. Емкость такой памяти обычно достаточно велика — от 8 Мбайт и более. Пересылка информации между дисками и основной памятью организуется контроллером дисковой кэш-памяти. Изготавливается дисковая кэш-память на базе такихже полупроводниковых запоминающих устройств, что И основная память, поэтому в ряде случаев с ней обращаются как с дополнительной основной памятью. С другой стороны, в ряде операционных систем, таких как UNIX, в качестве дискового кэша используется область основной памяти.

В дисковой кэш-памяти хранятся блоки информации, которые с большой вероятностью будут востребованы в ближайшем будущем. Принцип локальности, обеспечивающий эффективность обычной кэш-памяти, справедлив и для дисковой, приводя к сокращению времени ввода/вывода данных от величин 20-30 мс до значений порядка 2-5 мс, в зависимости объема передаваемой информации.