Кэш прямого отображения

В кэш-памяти прямого отображения адрес памяти, по которому происходит обра­щение, однозначно определяет строку кэша, в которой может находиться требуе­мый блок. Принцип работы такого кэша поясним на примере несекторированного кэша объемом 256 Кбайт с размером строки 32 байта и объемом кэшируемой основной памяти 64 Мбайт – типичный кэш системной платы для Pentium. Струк­туру памяти в такой системе иллюстрирует рис. 5.

Рис. 5. Кэш прямого отображения

Кэшируемая основная память условно разбивается на страницы (в данном случае по 256 Кбайт), размер которых совпадает с размером кэш-памяти (256 Кбайт). Кэш­-память (и, условно, страницы основной памяти) делятся на строки (256 Кбайт/32= 8 Кбайт строк). Архитектура прямого отображения подразумевает, что каждая строка кэша может отображать из любой страницы кэшируемой памяти толь­ко соответствующую ей строку (на рис. 5 они находятся на одном горизонталь­ном уровне). Поскольку объем основной памяти много больше объема кэша, на каждую строку кэша может претендовать множество блоков памяти с одинаковой младшей частью адреса (смещением внутри страницы). Одна строка в определен­ный момент может, естественно, содержать копию только одного из этих блоков. Номер (адрес) строки в кэш-памяти называется индексом (index). Тег несет инфор­мацию о том, какой именно блок занимает данную строку (то есть старшая часть адреса или номер страницы). Память тегов должна иметь количество ячеек, рав­ное количеству строк кэша, а ее разрядность должна быть достаточной, чтобы вместить старшие биты адреса кэшируемой памяти, не попавшие на шину адреса кэш-памяти. Кроме адресной части тега, с каждой строкой кэша связаны биты признаков действительности и модифицированности данных. В начале каждого обращения к кэшируемой памяти контроллер вначале считывает ячейку каталога с заданным индексом, сравнивает биты адреса тега со старшими битами адреса памяти и анализирует признак действи­тельности. Этот анализ выполняется в специальном цикле слежения (snoop cycle), иногда его назы­вают циклом запроса (inquire). Если в результате анализа выясняется, что требуе­мого блока нет в кэше, генерируется (или продолжается) цикл обращения к ос­новной памяти (случай кэш-промаха). В случае попадания запрос обслуживается кэш-памятью. В случае промаха после считывания основной памяти приемником информации новые данные помещаются в строку кэша (если она чистая), а в ее тег помещаются старшие биты адреса и устанавливается признак действительно­сти данных. Независимо от объема затребованных данных в кэш из основной па­мяти строка переписывается вся целиком (поскольку признак действительности относится ко всем ее байтам). Если контроллер кэша реализует упреждающее считывание (read ahead), то в последующие свободные циклы шины также обно­вится и следующая строка (если она была чистой). Чтение «про запас» позволяет при необходимости осуществлять пакетный цикл чтения из кэша через границу строки.

Такой кэш имеет самую простую аппаратную реализацию и применяется во вторичном кэше большинства системных плат. Однако ему присущ серьезный недостаток, вполне очевидный при рассмотрении рис. 5. Если в процессе вы­полнения программы процессору поочередно будут требоваться блоки памяти, смещенные относительно друг друга на величину, кратную размеру страницы (на рисунке эти блоки расположены на одной горизонтали в разных страницах), то кэш будет работать интенсивно, но вхолостую (cache trashing). Очередное обра­щение будет замещать данные, считанные в предыдущем и необходимые в следу­ющем обращении, – т.е. будет сплошная череда кэш-промахов. Переключение страниц в многозадачных ОС также снижает количество кэш-попаданий, что от­ражается на производительности системы. Увеличение размера кэша при сохра­нении архитектуры прямого отображения даст не очень существенный эффект, поскольку разные задачи будут претендовать на одни и те же строки кэша. Не увеличивая объема, можно повысить эффективность кэширования изменением структуры кэша, о чем пойдет речь ниже.

Объем кэшируемой памяти (Мcached) при архитектуре прямого отображения оп­ределяется объемом кэш-памяти (Vcache) и разрядностью памяти тегов (N):

Мcached=Vcache· 2N, в нашем случае Мcached=256 Кбайт · 28= 64 Мбайт.

Иногда в описании кэша прямого отображения фигурирует понятие набор (set), что может ввести в заблуждение. Оно применяется вместо термина строка (line) в секторированном кэше прямого отображения, а сектор тогда называют строкой. С набо­ром (как и строкой несекто­рированного кэша) связана информация о теге, отно­сящаяся ко всем элементам набора (строкам или секторам). Кроме того, каждый элемент набора (строка или сектор) имеет собственный бит действительности в кэш-каталоге (рис. 6).

Рис. 6. Секторированный кэш прямого отображения