Внутренний кэш

Внутреннее кэширование обращений к памяти применяется в процессорах, на­чиная с 486. С кэшированием связаны новые функции процессоров, биты ре­гистров и внешние сигналы.

Процессоры 486 и Pentium имеют внутренний кэш первого уровня, в Pen­tium Pro и Pentium II имеется и вторичный кэш. Процессоры могут иметь как единый кэш инструкций и данных, так и общий. Выделенный кэш инструкций обычно используется только для чтения. Для внутреннего кэша чаще всего при­меняется наборно-ассоциативная архитектура.

Строки в кэш-памяти выделяются только при чтении, запись кэшируется только при попадании в адрес, представленный действительной строкой кэша. Политика записи первых процессоров 486 — только Write Through (сквозная запись), полностью программно-прозрачная. Более поздние модификации 486 и все старшие процессоры позволяют переключаться на политику Write Back (обратная запись).

Работу внутренней кэш-памяти характеризуют следующие процессы: обслу­живание запросов процессора на обращение к памяти, выделение и замещение строк для кэширования областей физической памяти, обеспечение согласован­ности данных внутреннего кэша и оперативной памяти, управление кэширова­нием.

Любой внутренний запрос процессора на обращение к памяти направляется во внутренний кэш. Теги строк набора, который обслуживает данный адрес, сравниваются со старшими битами запрошенного физического адреса. Если ад­ресуемая область представлена в строке кэш-памяти — случай попадания (Cache Hit), запрос на чтение обслуживается только кэш-памятью, не выходя на внеш­нюю шину. Запрос на запись модифицирует данную строку и в зависимости от политики записи на внешнюю шину выходит либо сразу (при сквозной записи), либо несколько позже при использовании алгоритма обратной записи.

В случае промаха (Cache Miss) запрос на запись направляется только на внешнюю шину, а запрос на чтение обслуживается сложнее. Если этот запрос относится к кэшируемой области памяти, выполняется цикл заполнения целой строки кэша — все 16 байт (32 — для Pentium) читаются из оперативной па­мяти и помещаются в одну из строк набора кэша, обслуживающего данный адрес. Если затребованные данные не укладываются в одной строке, заполняется и соседняя. Заполнение строки процессор старается выполнить самым быстрым способом — пакетным циклом с 32-битными передачами (64-битными для Pen­tium и старше).

Внутренний запрос процессора на данные удовлетворяется сразу, как только затребованные данные считываются из ОЗУ — заполнение строки до конца может происходить параллельно с обработкой полученных данных. Если в на­боре, который обслуживает данный адрес памяти, имеется свободная строка (с нулевым битом достоверности), заполнена будет именно она и для нее ус­тановится бит достоверности. Если свободных строк в наборе нет, будет заме­щена строка, к которой дольше всех не было обращений. Выбор строки для замещения выполняется на основе анализа бит LRU (Least Recently Used) no алгоритму «псевдо-LRU». Эти биты модифицируются при каждом обращении к строке данного набора (кэш-попадании или замещении).

Таким образом, выделение и замещение строк выполняется только для кэш-промахов чтения, при промахах записи заполнение строк не производится. Уп­равлять кэшированием можно только на этапе заполнения строк, кроме того, существует возможность их аннулирования — объявления недостоверными и очистки всей кэш-памяти. Если затребованная область памяти присутствует в строке внутреннего кэша, то он обслужит этот запрос.