Организация кэш-памяти на основе ассоциативной выборки

Упрощенная функциональная схема кэш-памяти на основе аппаратной ассоциативной выборки информации представлена на рис. 9.5.

В ядро кэш-памяти входят:

· ассоциативная память тегов со схемами параллельного сравнения входного слова (адреса данных в оперативной памяти) с тегами,

· схемы обнаружения кэш-промаха,

· регистры хранения строк данных,

· регистр команд обращения процессора к оперативной памяти,

· дешифратор адреса двойного слова в строке кэш-памяти,

· входные/выходные усилители и вентильные схемы.

При включении процессора строки адресных тегов и данных не заполнены. При первом же обращении процессора к памяти, например по чтению, контроллер кэш-памяти проверяет присутствие запрашиваемых данных в кэш-памяти. Для этого адрес строки оперативной памяти (старшие 24 бита адреса данных в оперативной памяти) сравнивается со всеми адресами строк, записанными в памяти в качестве тегов поиска. Если совпадений нет, то:

· фиксируется кэш-промах,

· производится обращение к оперативной памяти,

· читается и записывается в схемы хранения строк данных вся строчка (8 байт), по любому свободному адресу, а адрес строки – в соответствующую ячейку поисковой части ассоциативной памяти,

· запрашиваемые данные (слово или двойное слово) пересылаются в процессор,

· дополнительная информация (например, биты присутствия, модификации операцией записи и т.д.).

Повторное обращение к данным из этой же строчки производится уже без обращения к оперативной памяти.

Первоначальное заполнение памяти при промахах может производиться в любом порядке. При полном заполнении кэш-памяти, новые строчки данных, как и при использовании виртуальной памяти, записываются с использованием алгоритмов листания. Для реализации алгоритмов листания каждая строка данных имеет поле дополнительной информации, в котором отмечаются обращения и типы обращения (по чтению или по записи).

Основным недостатком ассоциативной памяти является сложность её реализации на микросхемах из-за сложной топологии поисковой части, вернее, наличия многочисленных вертикальных (адресных) и горизонтальных (разрядных) линий. В интегральном исполнении памяти каждой линии должен соответствовать выводной штырек (ножка микросхемы). Для соединения штырька с линиями микросхемы требуется отдельная "пайка", которая занимает много места на кристалле. При использовании микросхем малой степени интеграции, на саму схему ассоциативной памяти не хватает площади кристалла. Ассоциативная память широко использовалась до появления интегральной технологии.

В современных ЭВМ кэш-память размещают на одной микросхеме с процессором, в этом случае количество выводов микросхемы определяется не кэш-памятью, а интерфейсом процессора. Но и в этом случае использование чисто ассоциативной памяти ограничено.