КЭШ-память: назначение, структура, основные характеристики

КЭШ-память (от Сасhе – тайник) – это способ организации буферной памяти, ис-пользующей ассоциативный принцип обращения к ней и к ОП в процессе выполне-ния программы. Ассоциативный принцип заключается в том, что имеется шаблон выборки, ключ, например «1» в третьем разряде и «0» в пятом. При обращении к памяти с использованием ключа будут найдены все ЯП, у которых третий разряд равен «1», а пятый – «0» независимо от их расположения в ассоциативной памяти. Этот принцип позволяет легко находить данные на любом уровне памяти.

Большинство прикладных программ имеет циклический характер и многократно используют одни и те же данные, поэтому наличие КЭШа уменьшает количество обращений к более медленной ОП и увеличивает производительность процессора.

КЭШ-память построена на триггерах и имеет небольшую ёмкость. КЭШ хранит данные и адреса в тегах. Структура Кэш-памяти приведена на рисунке 2.16.

При каждом обращении к ОП специальный контроллер проверяет по тегу наличие этой копии в КЭШе. Если она имеется, то вырабатывается сигнал Hit (попадания в КЭШ) и происходит обращение к кэшу, если нет – то вырабатывается сигнал промаха (Miss) и выполняются одновременно чтение из ОП и размещение в КЭШе.

Рисунок 2.12 – Структура кэш-памяти

Обмен с ОП может осуществляться двумя способами:

1. Обращение к ОП сочетается с одновременным поиском данных в теге, при попадании в тег обращение аннулируется.

2. Обращение к ОП осуществляется только после выявления КЭШ-промаха.

В современных компьютерах КЭШ выполняется по двухуровневой схеме, содер-жащей первичный КЭШ, встраиваемый в процессор, и вторичный КЭШ, устанавли-ваемый на системной плате. При этом часто используются различные КЭШи для команд и данных (гарвардская архитектура).

Современная многоуровневая организация памяти выглядит следующим образом:

1. Регистровая память ёмкостью 64-256 байт и временем доступа 1 такт.

2. КЭШ первого уровня ёмкостью 32 Кбайт и временем доступа 1-2 такта.

3. КЭШ второго уровня ёмкостью 256 Кбайт и временем доступа 3-5 тактов.

4. Основная память ёмкостью до 4 Гбайт и временем доступа 12-55 тактов.