Кешування пам'яті

курсова робота з інформатики

ЗМІСТ

Вступ

В процесорах сімейства Pentium для підвищення продуктивності комп'ютера, серйозній доробці піддався механізм кешування оперативної пам'яті.

Тактова частота ядра сучасних процесорів в даний час зросла в 1000 разів і перевищила 2000 Мгц, а ось частотні характеристики оперативної пам'яті сильно відстають. Наприклад, модулі дешевої динамічної пам'яті працюють на частоті всього 133 Мгц.

Розрив позначився вже при появі перших 16-розрядних процесорів. Мікросхеми пам'яті, які могли працювати на тій же швидкості, що й процесор, виявилися дуже дорогими для застосування в персональних комп'ютерах. А дешеві мікросхеми динамічної пам'яті, які дозволяли берегти багато даних, на жаль, не відрізнялися швидкодією. Тому розробники комп'ютерів використовували принцип організації пам'яті, який застосовували у великих ЕОМ.

Оскільки процесор в кожний момент часу працює з обмеженим адресним простором, то необхідні для поточної роботи дані можна берегти в дорогих, але швидких мікросхемах. Основна ж пам'ять виконується на повільних, але зате дешевих мікросхемах, що дозволяють зберігати багато даних. Тому процесор, використовуючи таке розділення пам'яті, більшу частину часу використовує швидку пам'ять і звертається до основної тільки при необхідності. Такий вид швидкодійної пам'яті був названий кешем (від англ. cache – склад, тайник).

Технологія виготовлення процесорів удосконалювалася. Можливості кеша, виконаного на окремих мікросхемах і розташованого на системній платі, були швидко вичерпані. Для подальшого підвищення продуктивності комп'ютера кеш вирішили розділити на дві частини – традиційний кеш на системній платі залишили незмінним, а на кристалі процесора організували ще один кеш, який повинен працювати на тактовій частоті процесора. Такий принцип організації пам'яті був реалізований в деяких 386 процесорах, а, починаючи з процесорів Intel , став обов'язковий. Кеш, розташований на кристалі процесора, отримав назву – первинний кеш (LI Cache) або внутрішній кеш.

Надалі, для ефективного використання 64-розрядної шини в сімействі процесорів Pentium додали ще два рівні – вторинний кеш L2 Cache і L3 Cache.

Кешування пам'яті є "прозорим" для програм і програмістів, тобто процесор і чіпсет системної плати в більшості випадків самі визначають необхідні дані, які будуть зберігатися в кеші. Крім того, вони стежать за тим, щоб дані в кеші і основній пам'яті відповідали один одному, оскільки до оперативної пам'яті може звертатися не тільки процесор, але й зовнішні пристрої.

Механізм кешування в кожному з подальших типів процесорів Pentium піддавався серйозній доробці. Фактично, в сучасних процесорах на кристалі разом з блоками обробки даних розташована внутрішня оперативна пам'ять – кеш, яка за своїми розмірами перевершує об'єм всієї пам'яті (ОЗУ, вінчестер), якою колись оперував комп'ютер з процесором 386. Слід відмітити, що розмір первинного кеша частіше всього буває рівний 8, 16 або 32 Кбайт, а вторинного – 256 або 512 Кбайт. Хоча, наприклад, в деяких процесорах вторинний кеш може досягати і 1 Мбайт або бути взагалі відсутній. У нових процесорів зовнішній кеш не застосовується.

Щоб зрозуміти складність організації механізму кешування даних, треба врахувати, що кожний рівень кеша працює на своїй тактовій частоті. Наприклад, первинний кеш повинен діяти на частоті ядра процесора. Вторинний кеш (внутрішній) часто синхронізується на половинній частоті ядра процесора. Зовнішній кеш, найповільніший, використовує частоту системної плати, яка в більшості випадків не перевищує 133 Мгц.

Розділ 1. Кешування пам’яті як процес оптимізації роботи комп’ютера

1.1. Статична пам'ять

Статична пам'ять – SRAM (Static Random Access Memory), як і виходить з її назви, здатна зберігати інформацію в статичному режимі – тобто скільки завгодно довго за відсутності звертань (але за наявності живлячої напруги). Елементи статичної пам'яті реалізуються на тригерах – елементах з двома стійкими станами. В порівнянні з динамічною пам'яттю ці комірки складніші і займають більше місця на кристалі, проте вони простіші в управлінні і не вимагають регенерації. Швидкодія і енергоспоживання статичної пам'яті визначається технологією виготовлення і схемотехнікою комірок, що запам'ятовують. Найекономічніша КМОП пам'ять (CMOS Memory) має час доступу більше 100 наносекунд, але зате придатна для тривалого зберігання інформації при живленні від малопотужної батареї, що й застосовується в пам'яті конфігурації PC. Сама швидкодійна статична пам'ять має час доступу в декілька наносекунд, що дозволяє їй працювати на частоті системної шини процесора, не вимагаючи від нього тактів очікування. Типовий об'єм пам'яті сучасних мікросхем SRAM досягає 1 Мбіт. Відносно висока питома вартість зберігання інформації і енергоспоживання при низькій щільності упаковки не дозволяють використовувати SRAM в якості основної пам'яті комп'ютерів. В PC мікросхеми SRAM в основному використовуються для побудови зовнішнього (L2) кеша основної пам'яті.

Async SRAM – звичайна (стандартна) асинхронна статична пам'ять (Standard або Asynchronous SRAM). Цей тип мається на увазі під терміном SRAM за умовчанням, коли тип пам'яті не вказаний (до недавніх пір йому і не було альтернативи).

Мікросхеми цього типу мають найпростіший асинхронний інтерфейс, що включає шину адреси, шину даних і сигнали управління CS#, ОЕ# і WE#. Мікросхема вибирається низьким рівнем сигналу CS# (Chip select), низький рівень сигналу ОЕ# (Output Enable) відкриває вихідні буфери для прочитування даних, WE# (Write Enable) низьким рівнем дозволяє запис. Тимчасові діаграми циклів звертань приведені на рис. 1.1. При операції запису управління вихідними буферами може проводитися як сигналом ОЕ# (цикл 1), так і сигналом WE# (цикл 2). Для зручності об'єднання мікросхем внутрішній сигнал CS# може збиратися по схемі «И» з декількох зовнішніх, наприклад, CSO#, CS1 і CS2# – у такому разі мікросхема буде