Реклама

Наш канал:

Таненбаум Э.- Архитектура компьютера. стр.235

Ассоциативная кэш-память с множественным доступом

Как было отмечено ранее, различные строки основной памяти конкурируют за право занять одну и ту же область кэша. Если программе, использующей кэш-память, изображенную на рис. 4.26, а, часто требуются слова с адресами 0 и 65 536, то будут иметь место постоянные конфликты, поскольку каждое обращение потенциально повлечет за собой вытеснение из кэш-памяти той или иной строки. Чтобы разрешить эту проблему, нужно сделать так, чтобы в каждом элементе кэш-памяти помещалось по две и более строки. Кэш-память с п возможными элементами для каждого адреса называется п-входовой ассоциативной кэш-памятью. 4-входовая ассоциативная кэш-память изображена на рис. 4.27.

Ассоциативная кэш-память с множественным доступом по сути гораздо сложнее, чем кэш-память прямого отображения, поскольку, хотя элемент кэш-памяти и можно вычислить по адресу основной памяти, требуется проверить п элементов кэш-памяти, чтобы узнать, есть ли там нужная нам строка. Тем не менее

1 На самом деле подобные коллизии не столь уж и редки из-за того, что при страничном способе организации виртуальной памяти и параллельном выполнении нескольких заданий страницы как бы «перемешиваются». Разбиение программы на страницы осуществляется случайным образом, поэтому и «локальность кода» может быть нарушена. — Примеч. научи, ред.

практика показывает, что 2- или 4-входовая ассоциативная кэш-память дает хороший результат, поэтому внедрение этих дополнительных схем вполне оправданно.

Рис. 4.27. 4-входовая ассоциативная кэш-память

Использование ассоциативной кэш-памяти с множественным доступом ставит разработчика перед выбором. Если нужно поместить новый элемент в кэшпамять, какой именно из старых элементов удалить? Для большинства задач хорошо подходит алгоритм обработки элемента, который дольше всего не использовался (Least Recenly Used, LRU). Имеется определенный порядок каждого набора ячеек, доступных из данной ячейки памяти. Всякий раз, когда осуществляется доступ к любой строке, в соответствии с алгоритмом LRU список обновляется, и маркируется элемент, к которому произведено последнее обращение. Когда требуется заменить какой-нибудь элемент, удаляется тот, который находится в конце списка, то есть тот, который использовался раньше других.

Возможен также предельный случай — 2048-входовая ассоциативная кэш-память, содержащая единственный набор из 2048 элементов. В данном случае все адреса памяти оказываются в этом наборе, поэтому при поиске требуется сравнивать нужный адрес со всеми 2048 тегами в кэш-памяти. Отметим, что для этого каждый элемент кэш-памяти должен содержать специальную логическую схему. Поскольку поле строки в данном случае нулевое, поле тега — это весь адрес за исключением полей слова и байта. Более того, когда строка кэша заменяется, возможными кандидатами на смену являются все 2048 элементов. Для хранения упорядоченного списка потребовался бы громоздкий учет использования системных ресурсов, поэтому применение алгоритма LRU оказывается невозможным. (Вспомните, что список требуется обновлять при каждой операции с памятью.) Интересно, что кэш-память с большим числом входов далеко не всегда превосходит по производительности кэш-память, в которой число входов невелико, а в некоторых случаях работает даже хуже. Поэтому число входов больше четырех встречается редко.