Организация работы кэш-памяти

Организация кэш-памяти в процессорах 486 и семействе Pentium называется четырехстраничным набором ассоциативного кэша (four-way set associative cache), что подразумевает разделение кэш-памяти на четыре блока. Каждый блок, в свою очередь, орга-низуется в виде 128 или 256 строк по 16 байт в каждой.
Чтобы понять, как работает четырехстраничный кэш, рассмотрим следующий пример. В простейшем случае кэш состоит из одного блока, в который можно загрузить содержимое соответствующего блока основной памяти. Это похоже на закладку, используемую для того, чтобы отметить нужную страницу в книге. Если основная память — это вся книга, то по закладке можно определить, какая страница находится в кэше. Но этого бывает достаточно только в том случае, если все необходимые данные находятся на странице, отмеченной закладкой. Если же вам нужно вернуться к одной из уже прочитанных страниц, то закладка будет бесполезной.
Можно воспользоваться несколькими закладками (выписками), отмечая сразу несколько мест в книге. При этом, конечно, усложняется схема процессора, но зато можно проверить сразу несколько закладок. Каждая дополнительная закладка усложняет систему, но вероятность того, что нужная страница уже отмечена (выписана), повышается.
Если ограничиться четырьмя отметками-выписками, то можно получить четырехстраничный кэш. Вся кэш-память разбивается на четыре блока, в каждом из которых хранятся копии различных фрагментов основной памяти. Хорошим примером работы процессора сразу с несколькими областями памяти является использование многозадачной операционной системы Windows. Здесь четырехстраничный кэш значительно повышает производительность процессора.
Содержимое кэша всегда должно соответствовать содержимому основной памяти, чтобы процессор работал с самыми свежими данными. Поэтому в семействе процессоров 486 используется кэш со сквозной записью (write-through), при которой данные, записанные в кэш, автоматически записываются и в основную память.
В процессорах Pentium используется двунаправленный кэш (write-back), который работает при выполнении как операций считывания, так и операций записи. Это позволяет еще больше повысить производительность процессора. Хотя встроенный кэш в процессоре 486 используется только при чтении, внешний кэш в системе может быть двунаправленным. Кроме того, в процессорах 486 предусмотрен дополнительный 4-байтовый буфер, в котором можно хранить данные вплоть до передачи в память. Это необходимо в том случае, если шина памяти занята.
Еще одна из особенностей улучшенной архитектуры кэша состоит в том, что кэш-память является неблокируемой. Это свойство позволяет уменьшать или скрывать задержки памяти, используя перекрытие операций процессора с выборкой данных. Неблокируемая кэш-память дает возможность продолжать выполнение программы одновременно с неудачными обращениями в кэш при наличии некоторых ограничений. Другими словами, кэш-память улучшает обработку промаха кэша и позволяет процессору продолжать выполнение операций, не связанных с отсутствующими данными.
Кэш-контроллер, встроенный в процессор, также используется для наблюдения за состоянием системной шины при передаче управления шиной альтернативным процес сорам, которые называются хозяевами шины (bus masters). Процесс наблюдения, в свою очередь, называется отслеживанием шины (bus snooping). Если устройство, управляющее передачей данных по шине (т. е. хозяин шины), записывает какие-либо данные в область памяти, копия которой хранится в кэше процессора, то содержимое кэша перестает соответствовать содержимому основной памяти. В этом случае кэш-контроллер отмечает эти данные как ошибочные и при следующем обращении к памяти обновляет содержимое кэша, поддерживая тем самым целостность всей системы.
При увеличении тактовой частоты время цикла уменьшается. В новых системах не используется кэш на системной плате, поскольку быстрые модули DDR-SDRAM или RDRAM, применяемые в современных системах Pentium II/Celeron/III, могут работать на тактовой частоте системной платы.
Как видите, кэш-память двух уровней улучшает взаимодействие между быстрым центральным процессором и более медленной оперативной памятью, а также позволяет минимизировать периоды ожидания, возникающие при обработке данных. Решающую роль в этом играет кэш-память второго уровня, расположенная в кристалле процессора. Это дает возможность процессору работать с тактовой частотой, наиболее близкой к его максимальной частоте.