Кэш-память
Кэш-память представляет собой промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий наиболее часто используемые данные, которые хранятся в менее быстродействующих устройствах. Кэш-память современных микропроцессоров имеет несколько уровней (обычно их два — L1 и L2). Кэш Li буферизует обращения к кэшу Li+1; кэш последнего уровня является самым крупным, и данные в него подгружаются непосредственно из оперативной памяти.
Общая идея работы кэш-памяти следующая. Когда происходит обращение к основной памяти, контроллер кэша проверяет, есть ли требуемые данные в буфере. Если данные в нем есть (попадание в кэш), они берутся из кэша. В противном случае (промах в кэш), один из блоков данных, содержащихся в буфере, замещается запрашиваемыми данными из основной памяти. Какой именно блок будет замещен, определяется стратегией замещения.
В общем случае кэш-память состоит из некоторого числа множеств, обозначим это число S = 2s; каждое множество состоит из E строк; а каждая строка состоит из блока данных размера B = 2b, тэга — старших разрядов физического адреса, используемых для вычисления признака попадания, — и бит управляющей информации. В зависимости от значений S и E различают три типа кэш-памяти:
- кэш-память прямого отображения (E = 1);
- полностью ассоциативная кэш-память (S = 1);
- частично ассоциативная кэш-память (E > 1 и S > 1).
Величина E называется уровнем ассоциативности кэш-памяти.
Пусть физический адрес имеет разрядность m. В большинстве случаев при обращении к кэш-памяти с параметрами ⟨S = 2s, B = 2b, E⟩ физический адрес интерпретируется следующим образом: биты [0, …, b-1] определяют позицию байта внутри блока данных, [b, …, b+s–1] — номер множества и, наконец, [b+s, …, m] — тэг. Для определения, имеет место попадание или промах, по физическому адресу вычисляется номер множества, после чего для каждой строки этого множества осуществляется сравнение тэга адреса, по которому осуществляется обращение, с тэгом, хранящимся в строке. Если для одной из строк сравнение истинно, значит, имеет место кэш-попадание, и в блоке данных этой строки на соответствующей позиции находятся требуемые данные.
Отметим, что кэш-память может поддерживать различные стратегии обновления содержимого буферов разных уровней (в случае многоуровневой организации), а также стратегии записи в оперативную память (сквозная или отложенная запись). Будем называть такие стратегии политиками кэширования.
