КЭШ память с прямым распределением

Министерство образования Российской Федерации

Владимирский государственный университет

Кафедра УИТЭС

Лабораторная работа N8

Выполнил : ст. гр. УИ-198

Есин Г.Н..

Проверил : Андреев

И.А.

Владимир 2000

Цель работы: Изучение принципа построения кэш-памяти с пря-

мым распределением.

Введение

Кэш-память - это быстродействующая память, расположенная

между центральным процессором и основной памятью. Вместе с ос-

новной памятью она входит в иерархическую структуру и ее дейс-

твие эквивалентно быстрому доступу к основной памяти. В больших

универсальных ЭВМ, основная память которых имеет емкость порядка

32-64 Мбайт, обычно используется кэш-память емкость 64-256

Кбайт, т.е. емкость кэш-память составляет порядка 1/1000-1/500

емкости основной памяти, а быстродействие в 5-10 раз выше быст-

родействия основной памяти.

Кэш-память, состоящая из m слов, сохраняет копии не менее

чем m-слов из всех слов основной памяти.

Если копия, к адресу которой был выполнен доступ ЦП, су-

ществует в кэш-памяти, то считывание завершается уже при доступе

к кэш-памяти. Отметим, что использование кэш-памяти основывается

на принципах пространственной и временной локальности. В случае

пространственной локальности основная память разбивается на бло-

ки с фиксированным числом слов и обмен данными между основной

памятью и кэш-памятью выполняется блоками. При доступе к некото-

рому адресу центральный процессор должен сначала определить со-

держит ли кэш-память копию блока с указанным адресом, и если

имеется, то определить, с какого адреса кэш-памяти начинается

этот блок. Эту информацию ЦП получает с помощью механизма преоб-

разования адресов.

На сложность этого механизма существенное влияние оказывает

стратегия размещения, определяющая, в какое место кэш-памяти

следует поместить каждый блок из основной памяти.

В зависимости от способа размещения данных основной памяти

в кэш-памяти существует три типа кэш-памяти:

кэш с прямым отображением (размещением);

полностью ассоциативный кэш;

множественный ассоциативный кэш.

Кэш с прямым отображением (размещением) является самым

простым типом буфера. Адрес памяти однозначно определяет строку

кэша, в которую будет помещен блок информации. При этом предпо-

лагается, что оперативная память разбита на блоки и каждому та-

кому блоку в буфере отводится всего одна строка.

Рассмотрим механизм кэш-памяти с прямым отображением реали-

зованный в лабораторной работе.

Стратегия размещения и механизм преобразования адресов в кэш-памяти с

прямым отображением.

Предположим, что основная память имеет емкость 256 К слов.

Для адресации основной памяти используется 18 бит. Пусть размер-

ность блока составляет 16 слов, тогда основная память будет со-

держать 16384 блока. Восемнадцать разрядов адреса основной памя-

ти тогда можно распределить следующим образом - 14 старших раз-

рядов использовать для адресации блока, а 4 младших - для адре-

сации слова в блоке.

Пусть емкость кэш-памяти равна 2 К слов. Тогда количество

блоков в кэш составляет 128. На рис.5 приведена упрощенная функ-

циональная схема кэш-памяти.

Для того чтобы поместить в кэш-память из основной памяти

блок с адресом b 4n 0 этот адрес делить на две части:

-младшие семь разрядов адреса блока используется для адре-

сации места хранения блока в кэш-памяти;

-старшие семь разрядов (часто называют их "тэг") помещают в

специальную память (теговую память), используемую в пос-

ледствии для чтения из кэш-памяти.

Таким образом, если адрес блока основной памяти равен

3673->111001011001, то в кэш-памяти этот блок будет размещен по

адресу 89->1011001.

В данном случае по этому адресу может быть размещен любой

из 128 блоков, имеющих семь младших разрядов, эквивалентных чис-

лу 89 (1011001).

В этом заключается один из недостатков кэш-памяти с прямым

отображением.

Для того чтобы определить, какой именно блок находится в

кэш-памяти используется специальная память (тэговая память) ем-

костью 7*128 слов, куда помещаются семь старших разрядов адреса

блока, хранящегося в данное время в кэш-памяти. Адрес размещения

которых определяется семью младшими разрядами ( в нашем примере

89 (1011001)). При доступе к кэш-памяти младшие семь разрядов

адреса блока используется в качестве адреса тэговой памяти, от-

куда считывается значение тэга (семь старших разрядов адреса

блока). Если считанный тэг и поступивших семь старших разрядов

блока совпадают, то это означает, что требуемый блок хранится в

кэш-памяти и из памяти данных выполняется чтение слова, адрес

которого указан в четырех младших разрядах полного адреса.

Вывод: Данная лабораторная работа проведена в соответствии с методическим

указанием, представленным в виде текстового файла в приложении к обучающей

программе. На данной лабораторной работе я изучил принципы построения КЭШ -

памяти с прямым распределением. Весь процесс обучения производился с

помощью программы расположенной на ЭВМ.