Внутренне кэширование обращений к памяти применяется в процессорах, начиная с 486-го. С кэшированием связаны новые функции процессоров, биты регистров и внешние сигналы.
Процессоры 486 и Pentium имеют внутренний кэш первого уровня, в Pentium Pro и Pentium II имеется и вторичный кэш. Процессоры могут иметь как единый кэш инструкций и данных, так и общий. Выделенный кэш инструкций обычно используется только для чтения. Для внутреннего кэша обычно используется наборно-ассоциативная архитектура.
Строки в кэш-памяти выделяются только при чтении, политика записи первых процессоров 486 – только Write Through (сквозная запись) – полностью программно-прозрачная. Более поздние модификации 486-го и все старшие процессоры позволяют переключаться на политику Write Back (обратная запись).
Работу кэша рассмотрим на примере четырехканального наборно-ассоциативного кэша процессора 486. Кэш является несекторированным – каждый бит достоверности (Valid bit) относится к целой строке, так что стока не может являться “частично достоверной”.
Работу внутренней кэш-памяти характеризуют следующие процессы: обслуживание запросов процессора на обращение к памяти, выделение и замещение строк для кэширования областей физической памяти, обеспечение согласованности данных внутреннего кэша и оперативной памяти, управление кэшированием.
Любой внутренний запрос процессора на обращение к памяти направляется на внутренний кэш. Теги четырех строк набора, который обслуживает данный адрес, сравниваются со старшими битами запрошенного физического адреса. Если адресуемая область представлена в строке кэш-памяти (случая попадания –cache hit), запрос на чтение обслуживается только кэш-памятью, не выходя на внешнюю шину. Запрос на запись модифицирует данную строку, и в зависимости от политики записи либо сразу выходит на внешнюю шину (при сквозной записи), либо несколько позже (при использовании алгоритма обратной записи).
В случае промаха (Cache Miss) запрос на запись направляется только на внешнюю шину, а запрос на чтение обслуживается сложнее. Если этот зарос относится к кэшируемой области памяти, выполняется цикл заполнения целой строки кэша – все 16 байт (32 для Pentium) читаются из оперативной памяти и помещаются в одну из строк кэша, обслуживающего данный адрес. Если затребованные данные не укладываются в одной строке, заполняется и соседняя. Заполнение строки процессор старается выполнить самым быстрым способом – пакетным циклом с 32-битными передачами (64-битными для Pentium и старше).
Внутренний запрос процессора на данные удовлетворяется сразу, как только затребованные данные считываются из ОЗУ – заполнение строки до конца может происходить параллельно с обработкой полученных данных. Если в наборе, который обслуживает данный адрес памяти, имеется свободная строка (с нулевым битом достоверности), заполнена будет она и для нее установится бит достоверности. Если свободных строк в наборе нет, будет замещена строка, к которой дольше всех не было обращений. Выбор строки для замещения выполняется на основе анализа бит LRU (Least Recently Used) по алгоритму “псевдо-LRU”. Эти биты (по три на каждый из наборов) модифицируются при каждом обращении к строке данного набора (кэш-попадании или замещении).
Таким образом, выделение и замещение строк выполнятся только кэш-промахов чтения, при промахах записи заполнение строк не производится. Если затребованная область памяти присутствует в строке внутреннего кэша, то он обслужит этот запрос. Управлять кэшированием можно только на этапе заполнения строк; кроме того, существует возможность их аннулирования – объявления недостоверными и очистка всей кэш-памяти.
Очистка внутренней кэш-памяти при сквозной записи (обнуление бит достоверности всех строк) осуществляется внешним сигналом FLUSH# за один такт системной шины (и, конечно же, по сигналу RESET). Кроме того, имеются инструкции аннулирования INVD и WBINVD. Инструкция INVD аннулирует строки внутреннего кэша без выгрузки модифицированных строк, поэтому ее неосторожное использование при включенной политике обратной записи может привести к нарушению целостности данных в иерархической памяти. Инструкция WBINVD предварительно выгружает модифицированные строки в основную память (при сквозной записи ее действие совпадает с INVD). При обратной записи очистка кэша подразумевает и выгрузку всех модифицированных строк в основную память. Для этого, естественно, может потребоваться и значительное число тактов системной шины, необходимых для проведения всех операций записи.
Аннулирование строк выполняется внешними схемами – оно необходимо в системах, у которых в оперативную память запись может производить не только один процессор, а и другие контроллеры шины – процессор или периферийные контроллеры. В этом случае требуются специальные средства для поддержания согласованности данных во всех ступенях памяти – в первичной и вторичной кэш-памяти и динамического ОЗУ. Если внешний (по отношению к рассматриваемому процессору) контроллер выполняет запись в память, процессору должен быть подан сигнал AHOLD. По этому сигналу процессор немедленно отдает управление шиной адреса A[31:4], на которой внешним контроллером устанавливается адрес памяти, сопровождаемый стробом EADS#. Если адресованная память присутствует в первичном кэше, процессор аннулирует строку – сбрасывает бит достоверности этой строки (она освобождается). Аннулирование строки процессор выполняет в любом состоянии.
Управление заполнением кэша возможно и на аппаратном и на программном уровнях. Процессор позволяет кэшировать любую область физической памяти, но внешние схемы могут запрещать процессору кэшировать определенные области памяти. Это делается по различным причинам, зачастую связанным с определенными условиями создания компьютерной системы.
Внешний кэш процессора
В отличие от внутренней кэш-памяти, внешняя больше напоминает обычную память. Однако алгоритм работы с ней практически такой же.
Внешняя кэш-память состоит из памяти данных, построенная на микросхемах SRAM, и контроллера кэша. В кэш-памяти хранится информация, копируемая из основной оперативной памяти. Каждый раз при обращении микропроцессора к памяти контроллер кэш-памяти проверяет наличие данных в кэше. Если эти данные в кэше есть (“попадание”), то микропроцессор получает данные из кэша. Если этих данных нет (“промах”), выполняется обычный цикл обращения к оперативной памяти DRAM.
Основным фактором, определяющим вероятность попадания, является емкость кэш-памяти. Как правило, при объеме кэша в 2 Кбайта вероятность попадания составляет от 50 до 60%. Поскольку размер кэш-памяти на современных компьютерах превышает 256 Кбайт, то вероятность попадания будет выше 90% (для компьютеров с объемом памяти ~ 256 Мбайт.)
Для реализации кэш-памяти в настоящее время разработаны эффективные однокристальные контроллеры. Наиболее широкое распространение получили контроллеры i82385 фирмы Intel и A38152 фирмы Asustec Microsystems.
Контроллер i82385 поддерживает 32 Кбайта кэш-памяти, и может работать в двух конфигурациях:
кэш-память с прямым отображением;
двухканальная модульно-ассоциативная кэш-память.
Первая конфигурация характеризуется простотой реализации, однако она оказывается неэффективной при работе в мультизадачных системах. В двухканальной реализации кэш-память разбивает все 4 Гбайтное адресное пространство на 262144 страницы по 16 Кбайт. 32-х разрядный физический адрес состоит из четырнадцатиразрядного адреса, определяющего информацию в кэш-памяти, и восемнадцатиразрядного тега, определяющего номер страницы. Каждый адрес оперативной памяти может быть отображен в одну из двух ячеек кэш-памяти.
Особенность контроллера кэш-памяти – обеспечение возможности параллельной работы микропроцессора с кэш-памятью и периферийных устройств с оперативной памятью в режиме прямого доступа. При записи данных по адресам, находящихся в кэше, контроллер ликвидирует копии этих блоков в кэше. Всю работу по синхронизации данных в DRAM и кэше берет на себя этот контроллер.
Одним из популярных контроллеров кэш-памяти является однокристальный контроллер кэш-памяти фирмы ASUSTEC, совместно с памятью данных 32 Кбайта обеспечивает вероятность попадания более 95%. Это достигается благодаря использованию четырехканального модульно-ассоциативного обращения, который отображает адрес оперативной памяти в одну из четырех ячеек кэш-памяти. При этом, вследствие организации последовательного обращения к памяти данных, требуется подключение всего одного банка памяти данных.
Контроллер A38152 фирмы Asustec имеет аппаратные и программные средства, обеспечивающие связанность информации: логика слежения за шиной, которая обеспечивает ликвидацию копий блоков в кэш-памяти, задание области адресов, не отображаемой в кэш-память.
На многих материнских платах можно выбирать между одноуровневой или многоуровневой системами организации памяти. По умолчанию устанавливается ражим многоуровневой памяти. Если Вы установите режим одноуровневой памяти, то кэш-память SRAM просто добавляется к адресному пространству основной оперативной памяти. Одноуровневую память лучше использовать, когда внутренний кэш процессора по объему превосходит емкость кэш-памяти на материнской плате.