Организация кэш-памяти с прямым отображением адресов

Основная идея кэш-памяти с прямым отображением – это нахождение функциональной зависимости адресов кэш-памяти от адресов оперативной памяти:

Адрес кэш-памяти = f (адрес оперативной памяти).

Но такой детерминированной функции для не равновеликих множеств не существует. На практике используют вероятностные функции – хеш-функции. Это функции (вернее класс функции) равномерного разбрасывания. Их часто используют для формирования псевдослучайных чисел с равномерным распределением.

Используя свойство локальности обращений программ к памяти по времени, в качестве хеш-функции используют функцию прямого отображения.

Функция прямого отображения заключается в выделении младших разрядов аргумента. Количество выделяемых разрядов определяется емкостью кэш-памяти, вернее, количеством строк в кэш-памяти. Для рассматриваемого случая:

· емкость кэш-памяти – 8 Кбайт (2¹⁵ байт),

· разрядность строки кэш-памяти – 128 Кбайт(2⁷ байт),

· количество строк кэш-памяти – 256.

Для сохранения каждой строки оперативной памяти определена единственная строка кэш-памяти. Это строка, адрес которой совпадает с адресом, составленным из старших цифр адреса этой строки в оперативной памяти.

Но по этим же адресам могут быть записаны данные из множества строк оперативной памяти, адреса которых различаются младшими разрядами. При максимально возможной емкости оперативной памяти (равной математической) количество совпадающих строк может быть равным 2¹⁷.

Для идентификации строк в старшие разряды строк кэш-памяти записываются "идентифицирующие" теги, равные (по численному значению) старшим разрядам адреса оперативной памяти.

При обращении к кэш-памяти старшие разряды адреса строк оперативной памяти сравниваются с тегами на внешних схемах сравнения. При несовпадении этих строк фиксируется кэш-промах, при совпадении – фиксируется попадание. При кэш-попадании данные (двойное слово) выбираются из кэш-памяти по адресу двойных слов в строке с использованием дешифратора.

Таким образом, здесь используется тройная адресация: адресация строки кэш-памяти по младшим разрядам адреса оперативной памяти, ассоциативный поиск по сравнению старших разрядов адреса оперативной памяти с тегами и для выбора двойного слова из строки кэш-памяти.

Рассмотренная схема относительно проста, но имеет свои недостатки.

Основным недостатком схемы является повышенная вероятность кэш-промахов. Этот недостаток проявляется при обработке массивов, например, при сложении двух массивов. Перебор строк производится путем изменения младших разрядов при сохранении старших. При несовпадении старших адресов и совпадении младших, будут выявляться "сплошные" промахи с перезаписью информации в кэш-память. В этих случаях использование кэш-памяти будет только тормозить работу процессора.

При использовании кэш-памяти с прямым отображением нет проблемы выбора устаревшей строки, так как каждому адресу соответствует одна строка. Она и удаляется при кэш-промахе. Но поле для дополнительной информации предусмотрено, например, для отметок присутствия данных и модификации информации операцией записи.