Реферат На тему: «Кеш памяти микропроцессора». Работу


Скачать 85.77 Kb.
НазваниеРеферат На тему: «Кеш памяти микропроцессора». Работу
Дата публикации25.03.2013
Размер85.77 Kb.
ТипРеферат
userdocs.ru > Информатика > Реферат
Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Государственное высшие учебное заведение

«Донецкий техникум промышленной автоматики»

Реферат

На тему: «Кеш памяти - микропроцессора».

Работу выполнил :

Студент группы 1АЭС10

Олейников И.Д.
Работу принял:

Линник Б.Б.


Донецк 2012

Оглавление

п/п

Название раздела

стр.

1

Кэш памяти




2

Кэш центрального микропроцессора




3

Структура записи в кэше




4

Политика записи при кэшировании




5

Литература





^ Кэш памяти
Кэш - промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью, т.е та информация которая чаще всего используется. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из оперативной памяти (ОЗУ) и быстрее внешней памяти(жёсткий диск или твердотельный накопитель), за счёт чего уменьшается среднее время доступа к данным и увеличивается общая производительность компьютерной системы.

Кэш – это вид памяти, который имеет большую скорость доступа и в свою очередь предназначена для скоростного обращения к данным находящимся в постоянной памяти (обладающей значительно меньшей скоростью). Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами, веб-серверами, службами DNS и WINS.

Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти. Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдена запись, содержащая затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становится доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.

^ Диаграмма кэша памяти ЦПУfile:cache,basic.svg

Например: веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы, соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL — это идентификатор, а содержимое веб-страницы — это элементы данных. Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения. При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.

В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти. В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный»). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.
^ Кэш центрального микропроцессора
В связи с ростом частоты, на которой функционируют процессоры, и повышением производительности подсистемы оперативной памяти (ОЗУ), «бутылочным горлышком» вычислительной системы стал интерфейс передачи данных.

Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности в случае, когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты процессора. Ряд моделей процессоров обладают собственным кэшем для минимизации времени доступа к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленнее, чем регистры (эти регистры и буфера ввода/вывода могут считаться кэшем нулевого уровня). Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты ЦП.В процессорах с поддержкой виртуальной адресации часто вводят небольшой быстродействующий буфер трансляций адресов (TLB). Его скорость важна, так как он опрашивается на каждом обращении в память.Проблема синхронизации между различными кэшами (как одного, так и множества процессоров) решается когерентностью кэша. Существует три варианта обмена информацией между кэш-памятью различных уровней, или, как говорят, кэш-архитектуры: инклюзивная, эксклюзивная и не эксклюзивная. Инклюзивная архитектура предполагает дублирование информации кэша верхнего уровня в нижнем (предпочитает фирма Intel). Эксклюзивная кэш-память предполагает уникальность информации, находящейся в различных уровнях кэша (предпочитает фирма AMD). В не эксклюзивной кэши могут вести себя как угодно.
^ Структура записи в кэше
Типичная структура записи в кэше

Блок данных

тег

индекс

смещение

бит актуальности


Блок данных (кэш-линия) содержит непосредственную копию данных из основной памяти. Адрес памяти разделяется (от старших бит к младшим) на Тег, индекс и смещение. Бит актуальности означает, что данная запись содержит актуальную (самую свежую) копию. Длина поля индекса равна \lceil \log_2(cache\_rows) \rceil бит и соответствует ряду (строке) кэша, используемой для записи. Длина смещения равна \lceil \log_2(data\_blocks) \rceil..

Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. Максимальное количество кэшей — четыре. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать трёх. Кэш-память уровня N+1, как правило, больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N.

Самым быстрым является кэш первого уровня — L1 cache (level 1 cache). По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. В современных процессорах обычно L1 разделен на два кэша — кэш команд (инструкций) и кэш данных (Гарвардская архитектура). Большинство процессоров без L1 не могут функционировать. L1 работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно.

Вторым по быстродействию является кэш второго уровня — L2 cache, который обычно, как и L1, расположен на одном кристалле с процессором. В ранних версиях процессоров L2 реализован в виде отдельного набора микросхем памяти на материнской плате. Объём L2 от 128 кбайт до 1−12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в nM Мбайт на каждое ядро приходится по nM/nC Мбайта, где nC — количество ядер процессора.

Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень большим — более 24 Мбайт. L3 медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации данных различных L2.

Существует четвёртый уровень кэша, применение которого оправдано только для многопроцессорных высокопроизводительных серверов и мейнфреймов. Обыкновенно он реализован в виде отдельной микросхемы.

Одной из проблем является фундаментальная проблема баланса между задержками кэша и интенсивностью попаданий. Большие кэши имеют более высокий процент попаданий но, вместе с тем, и большую задержку. Чтобы ослабить противоречие между этими двумя параметрами, большинство компьютеров использует несколько уровней кэша, когда после маленьких и быстрых кэшей находятся более медленные большие кэши (в настоящий момент — суммарно до 3 уровней в иерархии кэшей).


В единичных случаях реализуют 4 уровня кеш-памятиfile:processor cachel2.pngfile:processor cachel1.png
Затребованные данные считываются из кэша первого ( L1) уровня. Из ( L1) уровня
Многоуровневые кэши обычно работают в последовательности от меньших кэшей к большим. Сначала происходит проверка наименьшего и наибыстрейшего кэша первого уровня (L1), в случае попадания процессор продолжает работу на высокой скорости. Если меньший кэш дал промах, проверяется следующий, чуть больший и более медленный кэш второго уровня (L2), и так далее, пока не будет запроса к основному ОЗУ. По мере того, как разница задержек между ОЗУ и быстрейшим кэшем увеличивается, в некоторых процессорах увеличивают количество уровней кэша (в некоторых — до 3х уровней на кристалле). К примеру, Alpha 21164 в 1995 году имела накристалльный кэш 3го уровня в 96 КБ; IBM POWER4 в 2001 году имел до четырех кэшей L3 по 32 МБ[6] на отдельных кристаллах, используемых совместно несколькими ядрами; Itanium 2 в 2003 году имел 6 МБ кэш L3 на кристалле; Xeon MP под кодом «Tulsa» в 2006 году — 16 МБ кэша L3 на кристалле, общий на 2 ядра; Phenom II в 2008 году — до 6 МБ универсального L3 кэша; Intel Core i7 в 2008 году — 8 МБ накристалльного кэша L3, являющимся инклюзивным и разделяемым между всеми ядрами. Польза от кэша L3 зависит от характера обращений программы в память. Наконец, с другой стороны иерархии памяти находится регистровый файл самого микропроцессора, который можно рассматривать как небольшой и самый быстрый кэш в системе со специальными свойствами (например, статическое планирование компилятором при распределении регистров, когда он располагает данные из ОЗУ на регистр). Подробнее см loop nest optimization. Регистровый файлы также могут иметь иерархию: Cray-1 (в 1976 году) имел 8 адресных «A»-регистров и 8 скалярных «S»-регистров общего назначения. Также машина содержала набор из 64 адресных «B» и 64 скалярных «T» регистров, обращение к которым было дольше, но все же значительно быстрее основной ОЗУ. Эти регистры были введены по причине отсутствия в машине кэша данных (хотя кэш команд в машине имелся)
^ Политика записи при кэшировании
При чтении данных кэш-память даёт однозначный выигрыш в производительности. При записи данных выигрыш можно получить только ценой снижения надёжности. Поэтому в различных приложениях может быть выбрана та или иная политика записи кэш-памяти..

Существуют две основные политики записи кэш-памяти — сквозная запись (write-through) и отложенная запись (write-back):

Сквозная запись — запись производится непосредственно в основную память (и дублируется в кэш), то есть запись не кэшируется.

Отложенная запись — запись данных производится в кэш. Запись же в основную память производится позже (при вытеснении или по истечению времени), группируя в одной операции несколько операций записи в соседние ячейки. Технология обратной записи на некоторое время делает данные в основной памяти неактуальными, для самого ЦП эти неактуальности не заметны, но перед обращением к памяти другого ведущего системной шины (контроллера DMA, bus-master-устройства шины PCI) кэш должен быть записан в память принудительно. При использовании обратной записи в многопроцессорной системе кэши различных ЦП должны быть согласованы (или процессоры должны использовать одну кэш-память).

Список литературы
Книжный источник:


  1. Виктор Владимирович Корнеев, Андрей Валентинович Киселев 1.2.3 Структурные методы уменьшения времени доступа к памяти // Современные микропроцессоры. — М: «Нолидж», 1998. — С. 75-76. — 240 с. — 5 000 экз. — ISBN 5-98251-050-6




  1. М. Дж. Бах. Архитектура операционной системы UNIX



  1. Михаил Гук 4. Кэширование памяти // Процессоры Pentium II, Pentium Pro и просто Pentium. — М: Питер, 1999. — С. 126-143. — 288 с. — 7 000 экз. — ISBN 5-8046-0043-5


Интернет источник:


  1. Memory part 2: CPU caches Статья на lwn.net (автор Ulrich Drepper) с детальным описанием кэшей

Похожие:

Реферат На тему: «Кеш памяти микропроцессора». Работу iconРефератiв з дисципліни з (найменування навчальної дисципліни ) дисципліни
Реферат може бути написаний по будь-якій темі з приведеного списку. За бажання написати реферат на тему, яка не увійшла до переліку,...
Реферат На тему: «Кеш памяти микропроцессора». Работу iconРеферат по дисциплине на тему

Реферат На тему: «Кеш памяти микропроцессора». Работу iconРеферат по экологии на тему

Реферат На тему: «Кеш памяти микропроцессора». Работу icon3 Организация памяти в микропроцессорных системах
Информацию в ячейки памяти можно записывать и считывать. Считывание информации из ячейки памяти не нарушает содержимого последней....
Реферат На тему: «Кеш памяти микропроцессора». Работу iconРеферат на тему «Иудаизм и Иудейское право»

Реферат На тему: «Кеш памяти микропроцессора». Работу iconРеферат по дисциплине «Введение в специальность» на тему: «Современные микропроцессоры»

Реферат На тему: «Кеш памяти микропроцессора». Работу iconРеферат з дисципліни «Екологія» На тему «Забруднення атмосферного повітря в Україні»

Реферат На тему: «Кеш памяти микропроцессора». Работу iconРеферат на тему «Причина кризиса советской экономической модели и системы управления»

Реферат На тему: «Кеш памяти микропроцессора». Работу iconРеферат на тему «Причина кризиса советской экономической модели и системы управления»

Реферат На тему: «Кеш памяти микропроцессора». Работу iconРеферат с курса “История украинской культуры” На тему: “ Научные достижения XIX века”

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница