Матурски рад
Рачунари – „Кеш меморија“
1
С а д р ж а ј
Кеш меморија
2
Основни
појмови
2
Технике пресликавања
4
Асоцијативно пресликавање
4
Директно пресликавање
7
Сет–асоцијативно пресликавање
10
Замена блокова кеш меморије
12
Нека разматрања у вези реализације кеш меморије
13
Литература
15
A
D
MEM
KEŠ
PODA
CI
CP
U
ADRES
A
PODA
CI
ADRES
A
Слика 1 – Асоцијативно пресликавање
OSTALI
DELOVI
CPU
Матурски рад
Рачунари – „Кеш меморија“
2
К Е Ш М Е М О Р И Ј А
За смањење времена приступа подацима и инструкцијама у оперативној
меморији процесору се додаје кеш–меморија
(ултрабрза меморија, приручна меморија)
чија брзина одговара брзини рада процесора. Кеш–меморија је мала, ултрабрза
полупроводничка меморија са непосредним приступом. У кеш–меморији се чувају
подаци и инструкције из оперативне меморије које процесор тенутно користи. Кеш–
меморија служи за усаглашавање брзине процесора и оперативне меморије која је
спорија од процесора за ред величине
(око 10 пута).
Она омогућава повећање брзине
обраде, јер се у њој налазе текући подаци и текуће инструкције програма којима
процесор приступа знатно брже, чиме се повећава продуктивност рада процесора,
односно време извршења програма. Циљ ефикасног меморијског система је да
ефективно време приступа процесора подацима буде врло блиско времену приступа
кеш–меморији.
Основни појмови
Механизам кеш меморије подразумева да у процесору постоји посебна
меморија, која се назива кеш меморија
(слика 1).
Кеш меморија се реализује са
меморијским компонентама чије је време приступа далеко мање од времена приступа
меморијских компонената оперативне меморије и веома блиско времену преноса
података између регистара. Због тога је цена по биту кеш меморије далеко већа од цене
по биту оперативне меморије. То има за последицу да је капацитет кеш меморије
далеко мањи од капацитета оперативне меморије.
Матурски рад
Рачунари – „Кеш меморија“
4
Приликом реализације кеш меморије постоје три основна питања која треба
решити. Капацитет кеш меморије је мањи од капацитета оперативне меморије и постоји
потреба да се у кеш меморији води евединција о томе који се блокови оперативне
меморије налазе у кеш меморији и где се налазе у кеш меморији. Ово вођење
евиденције се назива техника пресликавања. Капацитет кеш меморије је мањи од
капацитета оперативне меморије, па ће се после одређеног времена дешавати да се
генеришу адресе са којих се садржаји не налазе у кеш меморији, а кеш меморија је
попуњена. Тада постоји потреба да се одлучи који ће се блок избацити из кеш меморије
да би се у њој створио простор за довлачење блока из оперативне меморије коме
припада генерисана адреса. Ово одлучивање се реализује према неком од алгоритама
замене. Приликом операција уписа и утврђивања да у кеш меморији постоји блок коме
припада генерисана адреса, упис ће се реализовати у кеш меморију. Тиме се јавља
разлика у вредности копије садржаја са одређене адресе у кеш меморији и у
оперативној меморији. Садржаји одређених локација оперативне меморије се налазе у
кеш меморији само привремено ради убрзања приступа. Због тог постоји потреба да се
на неки начин за све генерисане адресе за које је упис извршен у копију садржаја у кеш
меморији обезбеди ажурирање и копије садржаја у оперативној меморији. Начини
реализације зависе од усвојене технике ажурирања садржаја оперативне меморије.
Технике пресликавања
Техника пресликавања одређује начин вођења евиденције о томе који се блокови
оперативне меморије налазе у појединим блоковима кеш меморије. Користе се три
технике пресликавања и то:
асоцијативно, директно и сет−асоцијативно.
Асоцијативно пресликавање
Код технике асоцијативног пресликавања, кеш меморија се састоји из DATA
MEMORIJE и TAG MEMORIJE
(слика 2).
У DATA MEMORIJU се смештају блокови
пренети из оперативне у кеш меморију. У TAG MEMORIJU се, за блокове пренете из
оперативне у кеш меморију, смештају бројеви блокова оперативне меморије, који се
називају
tag
−ovi. За реализацију DATA MEMORIJE и TAG MEMORIJE користе се
RAM меморија и асоцијативна меморија, респективно. Уколико у DATA MEMORIJU
може да се смести 2
n
блокова, каже се да кеш меморија има 2
n
улаза. За сваки улаз
DATA MEMORIJE постоји одговарајући улаз TAG MEMORIJE.
GENERISANA ADRESA
h
l
blo
k
reč
TAG
MEMORIJ
A
DATA
MEMORIJ
A
KEŠ
MEMORIJA
2n
– 1
0
h
bita
2l
reč
i
2l
reč
i
OPERATIVNA
MEMORIJA
blo
k 0
blo
k 1
blok (2h
– 1)
Слика 2 – Асоцијативно
пресликавање
Матурски рад
Рачунари – „Кеш меморија“
5
У случају кеш меморије реализоване у техници асоцијативног пресликавања,
замишља се као да је оперативна меморија подељена на 2
h
блокова. Уколико се узме да
је димензија блока 2
l
речи, тада генерисана адреса има следећу структуру: нижих
l
битова одређују адресу речи унутар блока и виших
h
битова одређују број блока у
оперативној меморији.
У техници асоцијативног пресликавања било који блок оперативне меморије
може да се смести у било који улаз кеш меморије, приликом довлачења из оперативне у
кеш меморију. Пошто у
i
−tom улазу DATA MEMORIJE може да се нађе било који од 2
h
блокова оперативне меморије, у
i
−tom улазу TAG MEMORIJE се чува број блока
оперативне меморије коме припада дати блок. С обзиром да у оперативној меморији
има 2
h
блокова, ширина меморијске речи TAG MEMORIJE је
h
бита.
С обзиром да је оперативна меморија капацитета 2h+l речи и да је величина
блока 2l речи, узима се као да је оперативна меморија организована у 2h блокова
