Цель работы. Изучение с помощью простейшей имитационной модели типовых структур и особенностей взаимодействия кэш и оперативной памяти современных вычислительных систем.
Память — совокупность устройств, служащих для приема, хранения и выдачи данных в центральный процессор или внешнюю среду компьютера. Основные операции с памятью — запись и чтение. Организация памяти имеет сложный характер и строится по иерархическому принципу. Основная идея такой иерархии – согласование скоростей работы операционных устройств, в первую очередь процессора, с запоминающими устройствами. Типовая организация памяти имеет вид, представленный на рис. 6.1, где показаны диапазоны значений емкости и производительности устройств памяти для современных компьютеров.
Кэш-память разбивается на строки по 32 байта, соответствующие одному стандартному пакетному циклу обращения к динамической памяти. На такие же строки условно разделяются и страницы основной памяти. Обмен информацией между ними осуществляется строками, даже если необходимо передать только один байт.
Процессор, выполняя команду, запрашивает операнд по некоторому адресу в адресном пространстве. Кэш-контроллер проверяет, есть ли в кэш-памяти строка данных, соответствующая запрашиваемому адресу. В случае наличия такой строки ситуация называется кэш-попадание. Если строки в кэш-памяти нет, то происходит кэш-промах, и кэш-контроллер инициирует обращение к основной памяти ОП для переписи из нее нужной строки в кэш-память.
Регистровая память или регистровый файл изготавливается в кристалле процессора по такой же технологии и имеет такое же быстродействие, как и операционные элементы процессора. Кэш-память первого уровня также выполняется внутри процессора, что дает возможность обращения к командам и данным с тактовой частотой работы процессора. Во многих современных моделях процессоров кэш-память второго уровня интегрирована в ядро процессора или на его картридж. При этом возможна организация кэш-памяти третьего уровня, выполненной на отдельной микросхеме с высоким быстродействием.