Введение в архитектуру персонального компьютера. Соппа И.В. - 85 стр.

  Глава 4. Устройства расширения функциональных возможностей ПК

                                    4.1. КЭШ-память

        Производительность высокоскоростных систем на базе микропроцессоров INTEL 80386 и
выше в основном ограничивается быстродействием подсистем памяти. Этим и обусловлено
использование КЭШ-памяти.
        Для микропроцессоров, синхронизируемых, например, частотой 33 Мгц, длительность
тактового импульса составляет, приблизительно, 30 нс, а обычные микросхемы динамических
ОЗУ имеют время доступа к памяти от 60 до 100 нс. Поэтому ЦП вынужден простаивать 2-3
периода тактовой частоты, т.е. пока информация из соответствующих микросхем памяти
установится на системной шине данных компьютера. Этих циклов ожидания можно избежать,
применяя микросхемы более скоростной статической памяти. Однако, их применение для
построения памяти большого объема оказывается достаточно дорогостоящим и не всегда
оправдано. Целесообразнее использовать сочетание небольшого по объему, но построенной на
динамических ОЗУ памяти и более медленной, построенной на динамических ОЗУ основной
памяти ПК большой емкости.
        Хотя большинство современных систем на базе микропроцессора 80386 и выше работает в
конвейерном режиме, т.е. когда микропроцессор выдает следующий адрес обращения к ОЗУ
раньше, чем завершится цикл обращения к памяти, этого все равно не достаточно, чтобы
превзойти производительность статических ОЗУ.
        Одним из путей улучшения пропускной способности памяти является использование
систем КЭШ-памяти (рис. 4.1). В данных системах используются статические ОЗУ небольшого
объема с непосредственной выборкой, а основной объем памяти отводится под динамические ОЗУ
в качестве вторичной памяти. В результате имитируется система с высокоскоростным ОЗУ
большой емкости. В функции контроллера входит отслеживание направления передачи данных:
какой блок данных должен быть направлен в КЭШ-блок, а какой – в главную память ПК. Каждый
раз, когда микропроцессору требуется информация, отсутствующая в КЭШе, он вынужден
обращаться через системную шину к основной оперативной памяти. После этого решается,
должна ли происходить замена строки в КЭШ-памяти, и какая именно. В подавляющем
большинстве случаев об этом заботится встроенный в контроллер LRU-алгоритм (Lost Recently
Used), который обновляет именно ту строку КЭШа, которая используется менее интенсивно.

                                Контроллер
                                КЭШ-памяти




              МП                 КЭШ-блок:               Основная память ПК:
                              статические ОЗУ             динамические ОЗУ


       Рис. 4.1. Система КЭШ-памяти в ПК

       Конструктивно КЭШ-память может представлять собой внешний автономный узел на
системной плате ПК или быть встроенной внутрь кристалла микропроцессора. В этом случае
объем КЭШа составляет до 256 Кбайт. При работе микропроцессора с памятью вначале
проверяется наличие требуемых данных в КЭШ-блоке, и, если информация не найдена, то
происходит обращение к главной памяти. Очевидно, что чем больше емкость КЭШ-блока, тем
вероятнее, что в нем будут найдены требуемые данные.
       Обнаружение искомой информации в КЭШ-блоке принято считать как удачное обращение
к КЭШ-памяти. Так, например, если КЭШ-блок емкостью 256 Кбайт встроен в кристалл
микропроцессора, то коэффициент удачных обращений обычно равен 0,75. Работа внешней КЭШ-