2 6 2 Глава 5. Память
Среднее время доступа Г„ к одноуровневой кэш-памяти можно оценить как:
где 7*ш — 1время обращения при попадании; KLtm— 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.
Понятие виртуальной памяти 2 6 3
В качестве единицы пересылки может выступать сектор, несколько секторов, а также одна или несколько дорожек диска. Кроме того, иногда применяется пере­сылка информации, начиная с выбранного сектора на дорожке до ее конца. В слу­чае пересылки секторов кэш-память заполняется не только требуемым сектором, но секторами, непосредственно следующими за ним, так как известно, что в боль­шинстве случаев взаимосвязанные данные хранятся в соседних секторах. Этот метод известен также как опережающее чтение (read ahead).
В дисковых кэшах обычно используется алгоритм сквозной записи. Специфи­ка состоит в том, что далеко не всю информацию, перемещаемую между дисками и основной памятью, выгодно помещать в дисковый кэш. В ряде случаев определен­ные данные и команды целесообразно пересылать напрямую между ОП и диском По этой причине в системах с дисковым кэшем предусматривают специальный динамический механизм, позволяющий переключать тракт пересылки информа­ции: через кэш или минуя его.
Одна из привлекательных сторон дискового кэша в том, что связанные с ним преимущества могут быть получены без изменений в имеющемся аппаратном и про­граммном обеспечении. Многие серийно выпускаемые дисковые кэши интегриро­ваны в состав дисковых ЗУ. В качестве примера можно привести модель 23 систе­мы IBM 3880, в состав которой входят дисковые ЗУ со встроенным контроллером кэш-памяти и кэш-памятью емкостью от 8 до 64 Мбайт. Дисковая кэш-память при­меняется и в персональных ВМ.
Дисковая кэш-память обычно включает в себя средства для обнаружения и ис­правления ошибок. Так, в уже упоминавшейся модели 23 системы IBM 3880 име­ются средства для обнаружения тройных ошибок (одновременного появления ошибок в трех разрядах) и исправления одиночных, двойных и большинства трой­ных ошибок. Более ранняя модель 13 той же системы имела кэш-память емкостью 4-8 Мбайт и умела обнаруживать двойные и исправлять одиночные ошибки. В обеих моделях замещение информации в кэше производится в соответствии с алгоритмом минимального предыдущего использования (LRU).
Примечательно, что архитектура кэш-памяти современных магнитных дисков типа «винчестер» реализует полностью ассоциативное отображение.
Понятие виртуальной памяти
Для большинства типичных применений ВМ характерна ситуация, когда разме­щение всей программы в ОП невозможно из-за ее большого размера. В этом, одна­ко, и нет принципиальной необходимости, поскольку в каждый Момент, времени «внимание» машины концентрируется на определенных сравнительно небольших участках программы. Таким образом, в ОП достаточно хранить только используе­мые в данный период части программ, а остальные части могут располагаться на внешних ЗУ (В ЗУ). Сложность подобного подхода в том, что процессы обраще­ния к ОП и В ЗУ существенно различаются, и это усложняет задачу программиста. Выходом из такой ситуации было появление в 1959 году идеи виртуализации па­мяти [88], под которой понимается метод автоматического управления иерархи­ческой памятью, при котором программисту кажется, что он имеет дело с единой
Hosted by uCoz