Программная модель кэш-памяти

К описанной в разд. 8.1 программной модели учебной ЭВМ может быть подключена программная модель кэш-памяти, структура которой в общем виде отображена на рис. 5.2. Конкретная реализация кэш-памяти в описываемой программной модели показана на рис. 8.15.

Кэш-память содержит N ячеек (в модели N может выбираться из множества {4, 8, 16, 32}), каждая из которых включает трехразрядное поле тега (адреса ОЗУ), шестиразрядное поле данных и три однобитовых признака (флага):

Z — признак занятости ячейки;

U — признак использования;

W — признак записи в ячейку.

Таким образом, каждая ячейка кэш-памяти может дублировать одну любую ячейку ОЗУ, причем отмечается ее занятость (в начале работы модели все ячейки кэш-памяти свободны, "Z_i = 0 ), факт записи информации в ячейку во время пребывания ее в кэш-памяти, а также использование ячейки (т. е. любое обращение к ней).

			Z	U	W



i	T_i	D_i	z_i	u_i	w_i
	Теги	Данные
n

Рис. 8.15. Структура модели кэш-памяти

Текущее состояние кэш-памяти отображается на экране в отдельном окне в форме таблицы, причем количество строк соответствует выбранному числу ячеек кэш. Столбцы таблицы определяют содержимое полей ячеек, например, так, как показано в табл. 8.3.

Таблица 8.3. Пример текущего состояния кэш-памяти

Теги	Данные	Z	U	W

Для настройки параметров кэш-памяти можно воспользоваться диалоговым окном Кэш-память,вызываемым командой Вид Кэш-память,а затем нажать первую кнопку на панели инструментов открытого окна. После этих действий появится диалоговое окно Параметры кэш-памяти,позволяющее выбрать размер кэш-памяти, способ записи в нее информации и алгоритм замещения ячеек.

Напомним, что при сквозной записи при кэш-попадании в процессорных циклах записи осуществляется запись как в ячейку кэш-памяти, так и в ячейку ОЗУ, а при обратной записи — только в ячейку кэш-памяти, причем эта ячейка отмечается битом записи (W_i :=1). При очистке ячеек, отмеченных битом записи, необходимо переписать измененное значение ноля данных в соответствующую ячейку ОЗУ.

При кэш-промахе следует поместить в кэш-память адресуемую процессором ячейку. При наличии свободных ячеек кэш-памяти требуемое слово помещается в одну из них (в порядке очереди). При отсутствии свободных ячеек следует отыскать ячейку кэш-памяти, содержимое которой можно удалить, записав на его место требуемые данные (команду). Поиск такой ячейки осуществляется с использованием алгоритма замещения строк.

В модели реализованы три различных алгоритма замещения строк:

случайное замещение, при реализации которого номер ячейки кэш-памяти выбирается случайным образом;

очередь, при которой выбор замещаемой ячейки определяется временем пребывания ее в кэш-памяти;

бит использования, случайный выбор осуществляется только из тех ячеек, которые имеют нулевое значение флага использования.

Напомним, что бит использования устанавливается в 1 при любом обращении к ячейке, однако, как только все биты U_i установятся в 1, все они тут же сбрасываются в 0, так что в кэш всегда ячейки разбиты на два непересекающихся подмножества по значению бита U — те, обращение к которым состоялось относительно недавно (после последнего сброса вектора U ) имеют значение U = 1, иные — со значением U = 0 являются "кандидатами на удаление" при использовании алгоритма замещения "бит использования".

Если в параметрах кэш-памяти установлен флаг "с учетом бита записи", то все три алгоритма замещения осуществляют поиск "кандидата на удаление" прежде всего среди тех ячеек, признак записи которых не установлен, а при отсутствии таких ячеек (что крайне маловероятно) — среди всех ячеек кэш-памяти. При снятом флаге "с учетом бита записи" поиск осуществляется по всем ячейкам кэш-памяти без учета значения W.

Оценка эффективности работы системы с кэш-памятью определяется числом кэш-попаданий по отношению к общему числу обращений к памяти. Учитывая разницу в алгоритмах записи в режимах сквозной и обратной записи, эффективность использования кэш-памяти вычисляется по следующим выражениям (соответственно для сквозной и обратной записи):

, (8.2)

(8.3)

где:

K — коэффициент эффективности работы кэш-памяти;

S_o — общее число обращений к памяти;

S_K — число кэш-попаданий;

S_Kw — число сквозных записей при кэш-попадании (в режиме сквозной записи);

Sⁱ_Kw — число обратных записей (в режиме обратной записи).