Множественно-ассоциативная кэш-память

Этот вид памяти является промежуточным между двумя вышерассмотренными. В нем сочетаются простота кэша с прямым отображением и скорость ассоциативного поиска.

Кэш-память делится на непересекающиеся подмножества (блоки) строк. Каждая строка основной памяти может попадать только в одно подмножество кэша. Для поиска блоков используется прямое отображение, а для поиска внутри подмножества - полностью ассоциативный поиск. Число строк в подмножестве кэша определяет число входов (портов) самого кэша.

Если 2ⁿ строк кэша разбивается на 2^s непересекающихся подмножеств, то S младших разрядов оперативной памяти показывают, в каком из подмножеств (индексов) должен вестись ассоциативный поиск. Старшие n-s разрядов адреса основной памяти являются тегами.

На рисунке 6.5 приведен пример кэша, где S=1, то есть имеются два подмножества кэш- памяти. Физический адрес 0111, выработанный процессором, разделяется на индекс 1, равный младшему разряду, и тег 011. По индексу выбирается второе подмножество строк в кэш-памяти, а затем происходит ассоциативный поиск среди тегов строк выбранного подмножества. Найденная строка 7 с тегом 011 передается в шину данных (ШД). Ассоциативный поиск производится одно

Рис. 6.5. Множественно-ассоциативная кэш-память

В современных процессорах используется 4-х и 8-ми входовая кэш-память. Увеличение числа ее входов приводит к быстрому увеличению сложности аппаратной реализации той части кэша, которая обеспечивает ассоциативный поиск тегов.

Особенности записи и замещения информации в кэш-памяти.
Когерентность кэш-памяти

Обращение по чтению можно начинать сразу и к КЭШ, и к оперативной памяти. Тогда, если информация отсутствует в КЭШе, к моменту установления этого факта будет уже выполнена часть цикла обращения к ОЗУ, что может повысить производительность. Если информация имеется в КЭШе, то обращение к оперативной памяти можно остановить.

При обращении по записи используется два метода: запись производится только в КЭШ или сразу и в КЭШ, и в ОЗУ. Эти методы получили название алгоритмов обратной WB (Write Back) и сквозной записи WT (Write Through) соответственно. Второй из них более простой, но и более медленный, хотя и гарантирует, что копии одной и той же информации в КЭШе и оперативной памяти всегда совпадают. Большинство ранних процессоров Intel используют именно этот алгоритм.

Алгоритм обратной записи WB более быстрый. Передача информации в ОЗУ производится только тогда, когда на место данной строки КЭШа передается строка из другой страницы ОП или при выполнении команды обновления содержимого КЭШа. Этот алгоритм требует более аккуратного управления, поскольку существуют моменты, когда копии одной и той же информации различны в КЭШе и ОП. Кроме того, не каждая строка изменяется за время своего пребывания в КЭШе. Если изменения не было, то нет необходимости переписывать строку обратно в оперативную память. Обычно используют флаг M (modified – изменена) в памяти тэгов. Он сбрасывается в “0” при первоначальной загрузке строки в КЭШ и устанавливается в “1” при записи в нее информации. При выгрузке строки из КЭШа запись в ОП выполняется только при единичном значении флага M.

При возникновении промаха контроллер кэш-памяти должен выбрать подлежащую замещению строку. Для с прямого отображения аппаратные решения наиболее простые. На попадание проверяется только одна строка, и только эта строка может быть замещена. При полностью ассоциативной или множественно-ассоциативной организации кэш-памяти имеются несколько строк, из которых надо выбрать кандидата в случае промаха. Для решения этой задачи используют следующие специальные правила, называемые алгоритмами замещения.

1) FIFO (First In First Out – первый пришедший – первым выбывает);

2) LRU (Least Recently Used – дольше других неиспользуемый);

3) LFU (Least Frequently Used – реже других используемый);

4) Случайный (random).

Первый и последний методы являются самыми простыми в реализации, но они не учитывают, насколько часто используется та или иная строка КЭШ-памяти. При этом может быть удалена строка, к которой в самом ближайшем будущем будет обращение. Вероятность ошибки для указанных методов гораздо выше, чем у второго и третьего.

В алгоритме FIFO для замещения выбирается строка, первой попавшая в КЭШ. Каждая вновь размещаемая в КЭШе строка добавляется в хвост этой очереди. Алгоритм не учитывает фактическое ее использование. Например, первые загруженные строки могут содержать данные, требующиеся на протяжении всей работы. Это приводит к немедленному возвращению к только что замещенной строке.

Алгоритм LRU предусматривает, что для удаления следует выбирать ту строку, которая не использовалась дольше других. При каждом обращении к строке ее временная метка обновляется. Это может быть сопряжено с существенными издержками. Однако алгоритм LRU наиболее часто используется на практике. Недостаток его заключается в том, что если программа проходит большой цикл, охватывающий множество строк, может случиться так, что строка, к которой дольше всего не было обращений, в действительности станет следующей используемой.

Одним из близких к LRU является алгоритм LFU, согласно которому удаляется наименее часто использовавшаяся строка. При этом необходимо подсчитывать количество обращений к каждой строке и контролировать его. Может оказаться, что наименее интенсивно используется та строка, которая только что записана в КЭШ-память и к которой успели обратиться только один раз (в то время как к другим строкам обращались больше). Она может быть удалена, что является недостатком алгоритма LFU.

Содержимое кэш-памяти меняется под управлением процессора. При этом основная память может оставаться неизменной. С другой стороны, внешние устройства могут изменять данные в ОП в режиме прямого доступа. При этом кэш-память не меняет своих данных. Еще сложнее ситуация в мультипроцессорных системах, когда несколько процессоров обращаются к общей памяти. Возникает проблема когерентности кэш-памяти.

Вычислительная система имеет когерентную память, если каждая операция чтения по адресу, выполненная каким-либо устройством, возвращает значение последней копии по этому адресу, независимо от того, какое из них производило запись последним. Проблема когерентности является наиболее важной для систем с обратным копированием. В них используются специальные протоколы, а к каждому тегу добавляются флаги модифицированности и достоверности информации. Эти флаги разрешают доступ к данным или запрещают его.