ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 3
Λειτουργίες της
κρυφής μνήμης
Όλες οι λειτουργίες της κρυφής μνήμης εκτελούνται από το υλικό του υπολογιστή. Η κρυφή μνήμη ενεργοποιείται όταν ο επεξεργαστής εκτελεί μια εντολή που απαιτεί πρόσβαση στην κύρια μνήμη. Οι λειτουργίες που εκτελούνται αναλυτικά είναι :
Αίτηση του επεξεργαστή για ανάγνωση από μια θέση κύριας μνήμης
Όταν ο επεξεργαστής εκτελέσει μια εντολή που απαιτεί ανάγνωση από μια διεύθυνση της κύριας μνήμης τότε η αίτηση αυτή κατευθύνεται στην κρυφή μνήμη με σκοπό να διαπιστωθεί αν το περιεχόμενο της ζητούμενης διεύθυνσης έχει ήδη μεταφερθεί και υπάρχει σε κάποιο μπλοκ της κρυφής μνήμης. Τότε αρχίζει η λειτουργία εντοπισμού η οποία ελέγχει αν σε κάποιο μπλοκ της κρυφής μνήμης έχει μεταφερθεί και περιέχεται η ζητούμενη διεύθυνση. Υπάρχουν δύο περιπτώσεις:
Αν το μπλοκ βρεθεί στην κρυφή μνήμη τότε αυτό ονομάζεται "επιτυχία της κρυφής μνήμης" (cache hit) και το περιεχόμενο της ζητούμενης διεύθυνσης τοποθετείται στις γραμμές δεδομένων που συνδέουν την κρυφή μνήμη και τον επεξεργαστή και μεταφέρεται απευθείας στον επεξεργαστή (λειτουργία ανάγνωσης) .
Αν το μπλοκ δεν βρεθεί στην κρυφή μνήμη τότε αυτό ονομάζεται "αποτυχία της κρυφής μνήμης" (cache miss). Στην περίπτωση αυτή αρχίζει η λειτουργία τοποθέτησης κατά την οποία το μπλοκ της κύριας μνήμης που περιέχει τα δεδομένα της ζητούμενης διεύθυνσης καθώς και τα περιεχόμενα των γειτονικών διευθύνσεων, μεταφέρεται σε ένα αντίστοιχο μπλοκ της κρυφής μνήμης, που προσδιορίζεται από κάποιο αλγόριθμο αντιστοίχησης. Ταυτόχρονα το περιεχόμενο της ζητούμενης διεύθυνσης μνήμης τοποθετείται στις γραμμές δεδομένων που συνδέουν την κύρια μνήμη και τον επεξεργαστή και προωθείται στον επεξεργαστή. Επίσης είναι πιθανό το μπλοκ αυτό να αντικαταστήσει κάποιο άλλο μπλοκ που βρίσκεται στην κρυφή μνήμη οπότε πραγματοποιείται η λειτουργία αντικατάστασης.
Αίτηση του επεξεργαστή για εγγραφή σε μια θέση κύριας μνήμης
Όταν ο επεξεργαστής εκτελεί μια εντολή που απαιτεί εγγραφή σε μια θέση της κύριας μνήμης τότε ακολουθείται μια διαδικασία αντίστοιχη με την διαδικασία της ανάγνωσης. Δηλαδή η αίτηση κατευθύνεται στην κρυφή μνήμη και αρχίζει η λειτουργία εντοπισμού η οποία ελέγχει αν το περιεχόμενο της ζητούμενης διεύθυνσης έχει ήδη μεταφερθεί και υπάρχει σε κάποιο μπλοκ της κρυφής μνήμης. Αν υπάρξει επιτυχία της κρυφής μνήμης γίνεται απευθείας η εγγραφή στη θέση αυτή (λειτουργία εγγραφής). Αν υπάρξει αποτυχία της κρυφής μνήμης τότε αρχίζει η λειτουργία τοποθέτησης η οποία θα μεταφέρει το μπλοκ της κύριας μνήμης που περιέχει τα δεδομένα της ζητούμενης διεύθυνσης καθώς και των γειτονικών διευθύνσεων, σε αντίστοιχο μπλοκ της κρυφής μνήμης, που προσδιορίζεται από κάποιο αλγόριθμο αντιστοίχησης. Είναι πιθανό το μπλοκ αυτό να πρέπει να αντικαταστήσει κάποιο άλλο μπλοκ που βρίσκεται ήδη στην κρυφή μνήμη (λειτουργία αντικατάστασης). Στη συνέχεια πραγματοποιείται η λειτουργία εγγραφής.
Σύμφωνα με τα ανωτέρω οι λειτουργίες της κρυφής μνήμης είναι:
ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 3
Tο μέγεθος της κρυφής μνήμης είναι εκατοντάδες φορές μικρότερο από αυτό της κύριας. Οι γνωστοί επεξεργαστές των προσωπικών υπολογιστών Pentium, για παράδειγμα διαθέτουν συνήθως κρυφή μνήμη μεγέθους 512 ΚB ενώ το μέγιστο μέγεθος της κύριας μνήμης που μπορούν να δεχθούν είναι πάνω από 2 GB. Η αύξηση του μεγέθους της κρυφής μνήμης έχει άμεση επίπτωση στο κόστος υλοποίησης της, για παράδειγμα οι επεξεργαστές Pentium διατίθενται σε ειδικές εκδόσεις με κρυφή μνήμη 2 ΜB αλλά σε υψηλότερη τιμή. Η μεταφορά δεδομένων από την κύρια μνήμη προς την κρυφή γίνεται σε μπλοκ, συνεπώς η αντιστοίχηση διευθύνσεων της κύριας μνήμης πραγματοποιείται με αλγορίθμους που αντιστοιχούν διευθύνσεις μπλοκ της κύριας μνήμης σε μπλοκ της κρυφής μνήμης.
Υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τρόποι αντιστοίχησης ενός μπλοκ της κύριας μνήμης στην κρυφή μνήμη και οι τρεις αυτοί τρόποι αντιστοίχησης καθορίζουν την οργάνωση της κρυφής μνήμης.
Σε αυτό τον τύπο κρυφής μνήμης κάθε μπλοκ της κύριας μνήμης μπορεί να αντιστοιχηθεί μόνο σε ένα συγκεκριμένο μπλοκ της κρυφής μνήμης. Η διεύθυνση αυτού του συγκεκριμένου μπλοκ της κρυφής μνήμης υπολογίζεται από την διεύθυνση του μπλοκ της κύριας μνήμης σύμφωνα με τον παρακάτω τύπο :
Διεύθυνση μπλοκ κρυφής μνήμης = (διεύθυνση μπλοκ κύριας μνήμης ) MOD (αριθμός μπλοκ κρυφής μνήμης) Σε αυτό τον τύπο κρυφής μνήμης κάθε μπλοκ της κύριας μνήμης μπορεί να αντιστοιχηθεί σε οποιοδήποτε μπλοκ της κρυφής μνήμης.
Σε αυτό τον τύπο κρυφής μνήμης τα μπλοκ της κρυφής μνήμης είναι οργανωμένα σε σύνολα που το κάθε ένα από αυτά περιέχει δύο ή περισσότερα μπλοκ Ένα μπλοκ της κύριας μνήμης αντιστοιχίζεται σε ένα συγκεκριμένο σύνολο της κρυφής μνήμης αλλά στη συνέχεια μπορεί να τοποθετηθεί σε οποιοδήποτε από τα μπλοκ που περιέχει το σύνολο αυτό. Η διεύθυνση του συγκεκριμένου συνόλου της κρυφής μνήμης υπολογίζεται (όπως και στην άμεση αντιστοίχηση) από την διεύθυνση του μπλοκ της κύριας μνήμης σύμφωνα με τον παρακάτω τύπο :
Διεύθυνση συνόλου κρυφής μνήμης = (διεύθυνση μπλοκ κύριας μνήμης) MOD (αριθμός συνόλων κρυφής μνήμης) Αν υπάρχουν m μπλοκ μέσα σε κάθε σύνολο τότε η κρυφή μνήμη ονομάζεται m-δρόμων συνολο-συσχετιστκή, δηλαδή ο αριθμός των δρόμων δηλώνει τον αριθμό των μπλόκ που περιέχει κάθε σύνολο της κρυφής μνήμης.
Η κρυφή μνήμη άμεσης αντιστοίχησης έχει χαμηλό κόστος υλοποίησης επειδή τα κυκλώματα εντοπισμού που χρησιμοποιεί ελέγχουν την διεύθυνση ενός μόνο μπλοκ της κρυφής μνήμης, αλλά η απόδοσή της είναι χαμηλή επειδή είναι πιθανό τα μπλοκ της κύριας μνήμης που μεταφέρονται στην κρυφή να αντιστοιχηθούν στο ίδιο μπλοκ της κρυφής με αποτέλεσμα να υπάρχουν πολλές αντικαταστάσεις μπλοκ (καθυστερήσεις). ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ 3
Η αντιστοίχηση ενός μπλοκ της κύριας μνήμης στην κρυφή μνήμη
Επειδή η κρυφή μνήμη είναι πολύ μικρότερη από την κύρια θα πρέπει να υπάρχει ένας αλγόριθμος αντιστοίχησης των διευθύνσεων της κύριας μνήμης στην κρυφή μνήμη.
Υπενθυμίζεται ότι η συνάρτηση ΜΟD υπολογίζει το ακέραιο υπόλοιπο της διαίρεσης δύο αριθμών.
Η πλήρως συσχετιστική μνήμη έχει το υψηλότερο κόστος υλοποίησης επειδή διαθέτει κυκλώματα εντοπισμού τα οποία ελέγχουν ταυτόχρονα την διεύθυνση όλων των μπλοκ της κρυφής μνήμης. Αυτός ο τύπος κρυφής μνήμης έχει και την καλύτερη απόδοση.
Η συνολο-συσχετιστική μνήμη αποτελεί μια ενδιάμεση λύση μεταξύ του χαμηλού κόστους υλοποίησης της μνήμης άμεσης αντιστοίχησης και της απόδοση που παρουσιάζει η πλήρως συσχετιστική μνήμης. Αποτελεί τον πιο συνηθισμένο τύπο κρυφής μνήμης και η υλοποίησή της γίνεται με 2 ή 4 μπλοκ ανα σύνολο (2 και 4 δρόμων συνολο-συσχετιστική)
ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 4
ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ 4
ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 5
Σχήμα 4.2.3 - Υποθέτουμε αρχικά ότι η κρυφή μνήμη είναι άδεια. Οι τρεις τύποι οργάνωσης της κρυφής μνήμης φαίνονται από αριστερά προς τα δεξιά. Η συνολο-συσχετιστική συνδυάζει κάποια από τα χαρακτηριστικά της άμεσης αντιστοίχησης και της πλήρως συσχετιστικής. Η συνολο-συσχετιστική οργάνωση έχει 4 σύνολα με δύο μπλοκ ανά σύνολο (2-δρόμων συνολο-συσχετιστική).
Στην πράξη, οι κρυφές μνήμες περιέχουν εκατοντάδες μπλοκ και οι μνήμες κάποια εκατομμύρια από αυτά.
Κάθε μπλοκ της κρυφής μνήμης διαθέτει μια διεύθυνση. Ένα τμήμα της διεύθυνσης αυτής χρησιμοποιείται για την διευθυνσιοδότηση (αρίθμηση) των μπλοκ που διαθέτει η κρυφή μνήμη. Το τμήμα αυτό της διεύθυνσης ενός μπλοκ ονομάζεται πεδίο δείκτη. Στην περίπτωση που τα μπλοκ είναι οργανωμένα σε σύνολα (συνολο-συσχετιστική κρυφή μνήμη) το πεδίο δείκτη παρέχει την αρίθμηση των συνόλων. Το μέγεθός του πεδίου δείκτη εξαρτάται από το πλήθος των μπλοκ ή των συνόλων που διαθέτει η κρυφή μνήμη.
Για να μπορεί να διαπιστωθεί πιο συγκεκριμένο μπλοκ της κύριας μνήμης έχει ήδη μεταφερθεί σε ένα μπλοκ της κρυφής μνήμης, η διεύθυνση κάθε μπλοκ της κρυφής μνήμης περιέχει επιπλέον ένα πεδίο ετικέτας.
Στην κρυφή μνήμη όμως μπορούν να υπάρχουν μπλοκ από προηγούμενα προγράμματα που έχει τελειώσει η εκτέλεσή τους και να έχουν την ίδια ετικέτα με αυτή που αναζητείται. Συνεπώς η κρυφή μνήμη πρέπει να έχει την ικανότητα να διαπιστώσει αν τα μπλοκ που περιέχονται ήδη σε αυτή ανήκουν στο πρόγραμμα που εκτελείται ή σε παλαιότερα προγράμματα. Το πρόβλημα αυτό λύνεται με την ύπαρξη ενός ψηφίου εγκυρότητας (valid bit).
Συνεπώς κάθε μπλοκ της κρυφής μνήμης έχει την παρακάτω γενική δομή
Τα τρία πρώτα πεδία αποτελούν το πεδίο της διεύθυνσης του μπλοκ
Παράδειγμα
Η διεύθυνση των μπλοκ στην κρυφή μνήμη
Το πεδίο ετικέτας χρησιμοποιείται κατά τη λειτουργία του εντοπισμού (συγκρίνεται) και ενημερώνεται κατά τη λειτουργία της τοποθέτηση με την ετικέτα του νέου μπλοκ που τοποθετείται στη θέση αυτή. Το ψηφίο εγκυρότητας (Valid bit) ελέγχεται κατά τη λειτουργία του εντοπισμού και όταν έχει τεθεί (έχει τιμή 1) τότε το μπλοκ αυτό ανήκει στo τρέχον πρόγραμμα διαφορετικά (όταν έχει τιμή 0) το μπλοκ ανήκει σε παλαιότερο πρόγραμμα. Το ψηφίο αυτό τίθεται κατά τη λειτουργία της τοποθέτησης. Κατά την εκκίνηση ενός νέου προγράμματος το πεδίο εγκυρότητας όλων των μπλοκ της κρυφής μνήμης μηδενίζεται.
 |
 |
 |
 |
 |
