University-notes/2 курс/1 семестр/Архитектура ЭВМ/Лекции/18 билет/1.md

Определение кэша и кэширования. Уровни иерархии памяти.

Кэш - быстродействующая буферная память между CPU и основной памятью, в которую помещаются фрагменты кода и данные, активно используемые программой в текущий момент времени. Кэширование памяти - временное хранение в более быстрой памяти данных из более медленной памяти. Эффективность кэширования основывается на локальности доступа к памяти. Дополнительно может решаться задача снижения требований к пропускной способности основной памяти. Размер кэша меньше, чем размер основной памяти. Кэширование используется на нескольких разных уровнях. С точки зрения процессора, кэш - это механизм устранения задержек. К памяти обращаться долго, но если использовать кэш, то время обращения будет намного меньше. Часто данные одного уровня иерархии являются подмножеством данных нижележащего уровня: данные дублируются в более медленном нижележащем уровне - инклюзивное кэширование. Иерархия памяти состоит из нескольких уровней. Меньший по объему, более скоростной уровень памяти расположен ближе к ЦП:

• регистры
• основной кэш (L_1)
• дополнительные вторичные кэши (L_2,L_3,...)
• основная память
• устройства массового хранения (виртуальная память)

Или

• регистры
• кэш-память
• оперативная память
• долговременная память
• сторонние устройства

Каждый уровень проецирует адреса более емкой памяти на менее емкий уровень, ближе к ЦП. Когда для CPU требуется инструкция или операнд, производится поиск по всем уровням иерархии памяти, начиная с ближайшего с CPU (кэш 1^{го} уровня):

• Если элемент найден, он доставляется в ЦП без поиска по нижележащим уровням. Происходит попадание в кэш (частота попаданий =H_1).
• Если элемент отсутствует в верхнем уровне, происходит кэш-промах, и поиск продолжается на нижестоящем уровне (частота промахов =1-H_1).
• Для систем с несколькими уровнями кэша, поиск последовательно продолжается на уровнях 2,3, и тд
• Если поиск в кэшах завершился промахами, запрашиваются данные из основной памяти.

Взаимодействие «ЦП» \Rightarrow «КЭШ» \Rightarrow «Память» реализовано аппаратно.

• Если элемент не найден в основной памяти, происходит обращение к диску (вирт. память). Это называется page fault. Взаимодействие «Память» \Rightarrow «Диск» реализовано в ОС при аппаратной поддержке.