Budowa i organizacja pamięci podręcznej

Budowa i organizacja pamięci podręcznej

Autorem artykułu jest RatujPC

Pamięć cache jest zorganizowana w linijki (o rozmiarach 16 lub 32 bajty - 128 lub 256 bitów), w których są przechowywane informacje pobrane z RAM w postaci słów binarnych.

Jedna linijka jest najmniejszą porcją informacji - blokiem danych jaki układ cache wymienia z pamięcią operacyjną RAM. W różnych linijkach może być więc zapisana kopia zawartości odległych bloków z pamięci głównej.

Poniżej opisano budowę 32-bajtowej linijki pamięci podręcznej L1 w procesorze Pentium (rys. 3). W innych procesorach mogą być zastosowane trochę inne rozwiązania, jednak ogólna zasada organizacji cache w linijki pozostaje taka sama.

Procesor Pentium posiada oddzielną pamięć podręczną poziomu L1 dla kodu programu (8kB) i oddzielną dla danych (8kB). Każda z nich jest podzielona na 256 linijek (256 x 32 B = 8kB).

Aby zbiór takich linijek był dla procesora użyteczną strukturą, w której łatwo odszukać potrzebne dane, musi istnieć mechanizm zapisywania i kodowania dodatkowych informacji na temat każdej linijki. Przede wszystkim potrzebna jest informacja o tym, które fragmenty zawartości pamięci RAM są aktualnie skopiowane w poszczególnych linijkach. Jest to niezbędne, aby podczas żądania procesora odczytu z pamięci, kontroler cache mógł poprawnie określić czy dane są dostępne w linijkach, czy trzeba je sprowadzić z RAM. Wszystkie te informacje przechowuje się w katalogu cache (czasem określanym skrótem TAG-RAM). Jest on częścią pamięci podręcznej, która zawiera rekordy odpowiadające każdej linijce cache. Są w nich zakodowane informacje na temat danych aktualnie zapisanych w odpowiednich linijkach. Wartości poszczególnych pół tych rekordów mogą także wskazywać, że dana linijka jest wolna.

Podczas dostępu procesora do cache układy logiczne dzielą przekazywany przez niego adres na następujące części:

Znacznik (20 bitów) jest porównywany ze znacznikiem w katalogu cache. Na podstawie porównania znaczników określa się, czy potrzebne procesorowi dane są w linijce cache (określanie trafienia). Wiersz (7 bitów) określa, która pozycja (indeks) w katalogu 1 i katalogu 2 może odwzorowywać potrzebne dane.Słowo (3 bity) pozwala na określenie, które z ośmiu 32-bitowych słów przechowywanych w linijce zawiera dane potrzebne procesorowi.Bajt (2 bity) określa, który bajt w 32- bitowym słowie jest aktualnie potrzebny mikroprocesorowi.

W wypadku braku trafienia, tak zbudowany adres wskazuje blok w pamięci operacyjnej RAM, zawierający potrzebne dane. Zgodnie z zasadą działania cache, po odczytaniu zawartości bloku z RAM musi ona być zapisana do pamięci podręcznej. Na podstawie bitu LRU oraz części adresu (pola wiersz) jest wyznaczana linijka, do której można dokonać zapisu.

Skrót MESI używany do określania bitów w katalogu cache, został utworzony od pierwszych liter angielskich określeń czterech możliwych stanów linijki (Modified, Exclusive, Schared, Invalid). Na podstawie stanu bitów MESI można także określić, czy dane w poszczególnych linijkach są także zapisane w innych poziomach pamięci podręcznej. Stan bitów MESI zmienia się również podczas modyfikacji danych w pamięci. Dotychczas omawiane były jedynie zagadnienia związane ze skróceniem czas dostępu do danych i rozkazów podczas ich odczytu. Jednak procesor nie tylko odczytuje z pamięci RAM. W trakcie wykonywania programu musi też tam zapisywać wyniki swoich peracji, modyfikować pewne zmienne i dane. Niektóre z nich mogą być w tym czasie skopiowane także do pamięci podręcznej. Wiąże się z tym konieczność zadbania o aktualność obu kopii danych. Serwis komputerowy katowice poleca zwrócić uwagę jakie pamięci funkcnojują w naszym komputerze.

Do pamięci operacyjnej oprócz procesora mogą też mieć dostęp inne urządzenia. Mogą one zapisywać i odczytywać RAM bez udziału mikroprocesora. Jeśli dokonają zmiany słowa w RAM, którego kopia aktualnie jest przechowywana w cache, mogą spowodować, że procesor posiada w pamięci podręcznej nieaktualne dane. Również gdy procesor w trakcie programu dokona zmiany danych tylko w cache, inne urządzenia mogą odczytać bezpośrednio z RAM stare błędne wartości. Należy zaznaczyć, że taka niespójność może występować tylko dla pamięci podręcznej danych. W oddzielnej pamięci podręcznej kodu programu procesor nie zapisuje swoich wyników, gdyż przechowuje ona jedynie dla niego instrukcje - kolejne rozkazy. Są różne rozwiązania problemu spójności danych stosowane w różnych procesorach, jednakże generalnie można wyróżnić dwa sposoby:

Write Trougch (zapis jednoczesny)

W tym sposobie każdy zapis danych wykonywany jest jednocześnie zarówno do pamięci głównej jak i do cache. Każdy zapis wymaga więc dostępu procesora do pamięci RAM. Również każdy bezpośredni zapis do RAM wykonywany przez inne urządzenia musi być monitorowany przez procesor. W ten sposób może on w razie potrzeby uaktualnić zawartość cache. Jest to więc najbardziej naturalny sposób, jednak generuje znaczny przepływ danych między pamięciami co powoduje duże opóźnienia.

Wirte Back (zapis opóźniony)

W tym trybie przy zapisie procesor aktualizuje tylko pamięć podręczną. Jednocześnie dla zmodyfikowanych linijek układ cache ustawia odpowiednie statusy (na bitach MES). Zawartość pamięci głównej jest aktualizowana później na żądanie. Może ono być wyrażone przez instrukcję programową WBINVO (Write Back and Invalid Data Cache), lub specjalny sterujący sygnał sprzętowy.
Aktualizacja jest też wyzwalana w wyniku braku trafienia w fazie odczytu z pamięci głównej. Gdy trzeba dokonać wymiany linijki cache, zawartość linijki usuwanej mającej status zmodyfikowany (zakodowany na bitach MESI), musi być koniecznie zapisana do RAM.

Taka implementacja sposobu utrzymania spójności danych jest bardziej wydajna, minimalizuje ilość cyklów zapisu do pamięci głównej. Problemem jest jednak to, że bezpośredni dostęp zewnętrznych modułów wejścia-wyjścia do RAM także powoduje konieczność uaktualniania pamięci cache co może powodować pewne opóźnienia.

W trakcie wykonywania programu może też nastąpić konieczność zapisu danych w obszarach RAM, które nie są aktualnie skopiowane do pamięci podręcznej. Niektóre procesory w takim wypadku mogą po prostu dokonywać zapisu w RAM z pominięciem układu cache. W nowszych generacjach procesorów stosuje się mechanizm, w którym zapis danych pociąga za sobą skopiowanie odpowiedniego bloku RAM do linijki cache, gdzie jest on modyfikowany.

Dzięki temu ewentualny odczyt lub zapis tych samych danych w następnych rozkazach procesora może przebiegać już bez konieczności odwoływania się do RAM.

---

Pomoc Drogowa Katowice

Artykuł pochodzi z serwisu www.Artelis.pl