Рис. 4.26. Кэш-память прямого отображения (а); 32-разрядный виртуальный адрес (б)
4 Поле тега соответствует битам, сохраненным в поле тега элемента кэш-памяти.
♦ Поле слова указывает, на какое слово в строке производится ссылка.
4 Поле байта обычно не используется, но если требуется только один байт, в этом поле указано, какой именно байт в слове нужен. Для кэш-памяти, поддерживающей только 32-разрядные слова, это поле всегда содержит 0.
Когда центральный процессор выдает адрес памяти, аппаратура выделяет из этого адреса 11 бит поля строки и использует их для поиска в кэш-памяти одного из 2048 элементов. Если элемент действителен, то производится сравнение поля тега основной памяти и поля тега кэш-памяти. Если поля равны, значит, в кэш-памяти есть запрашиваемое слово. Такая ситуация называется кэш-попаданием. В случае кэш-попадания слово берется прямо из кэш-памяти, и тогда не нужно обращаться к основной памяти. Из элемента кэш-памяти берется только нужное слово, остальная часть элемента не используется. Если элемент кэш-памяти недействителен (недостоверен) или поля тега не совпадают, то нужного слова нет в памяти. Такая ситуация называется кэш-промахом. В этом случае 32-байтная строка вызывается из основной памяти и сохраняется в кэш-памяти, заменяя тот элемент, который там был. Однако если существующий элемент кэш-памяти изменяется, его нужно записать обратно в основную память до того, как он будет удален.
Несмотря на сложность решения, доступ к нужному слову может быть чрезвычайно быстрым. Поскольку известен адрес, известно и точное местополо жение слова, если оно имеется в кэш-памяти. Это значит, что нужно считать слово из кэш-памяти, доставить его процессору и одновременно с этим проверить, правильное ли это слово (путем сравнения полей тега). Поэтому процессор в действительности получает слово из кэш-памяти одновременно или даже до того, как становится известно, запрошенное это слово или нет.
При такой схеме смежные строки основной памяти помещаются в смежные элементы кэш-памяти. Фактически в кэш-памяти может храниться до 64 Кбайт смежных данных. Однако две строки, адреса которых отличаются ровно на 64 Кбайт (65 536 байт) или на любое целое, кратное этому числу, не могут одновременно хранится в кэш-памяти (поскольку они имеют одно и то же значение поля строки). Например, если программа обращается к данным с адресом X, а затем выполняет команду, которой требуются данные с адресом X + 65 536 (или с любым другим адресом в той же строке), вторая команда требует перезагрузки элемента кэш-памяти. Если это происходит достаточно часто, то могут возникнуть проблемы. В действительности, если кэш-память плохо работает, лучше, чтобы ее вообще не было, поскольку при каждой операции с основной памятью считывается целая строка, а не одно слово.
Кэш-память прямого отображения — это самый распространенный тип кэш-памяти, и она достаточно эффективна, поскольку коллизии, подобные описанной, случаются крайне редко или вообще не случаются1. Например, качественный компилятор может учитывать подобные коллизии при размещении команд и данных в памяти. Отметим, что указанный случай не произойдет в системе, где команды и данные хранятся раздельно, поскольку конфликтующие запросы будут обслуживаться разными кэшами. Таким образом, мы видим второе преимущество наличия двух кэшей вместо одного — больше гибкости при разрешении конфликтных ситуаций.