Кэш третьего уровня реферат
Обновлено: 02.07.2024
Инструкции процессора предназначены для обработки, пересылки и анализа данных, расположенных в пространствах памяти и портов ввода/вывода, а также организации ветвлений и переходов в вычислительные процессоры. В компьютер и обязательно должен присутствовать центральный процессор (CPU – Central Processing Unit), который исполняет основную программу.
История создания процессора
История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем.
Первым этапом, затронувшим период с 1940-х по конец 1950-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью было низкое быстродействие, низкая надёжность, и большое тепловыделение.
Вторым этапом, с середины 1950-х до середины 1960-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на платы, близкие к современным по виду, устанавливаемые в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Повысилась надёжность, Возросло быстродействие, уменьшилось энергопотребление.
Третьим этапом, наступившим в середине 1960-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем, по мере развития технологии, стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники. Сначала это были элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры. Позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, арифметическо-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.
Четвёртым этапом, в начале 1970-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем), микропроцессора — микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах.
Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например, процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по быстродействию, надёжности или защите от ионизирующей радиации и электромагнитных импульсов. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также стали изготавливаться в формате микропроцессора.
Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё, по крайней мере, 10—15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев.
Переход к микропроцессорам позволил в последствие создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом.
Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти.
Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.
За годы существования микропроцессоров было разработано множество различных архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например, Intel x86, развившаяся вначале в 32-битную IA-32, а позже в 64-битную.
В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см), вставляющегося в ZIF-сокет (AMD) или на подпружинивающую конструкцию — LGA (Intel). Особенностью разъёма LGA является то, что выводы перенесены с корпуса процессора на сам разъём — socket, находящийся на материнской плате. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.
Структура центрального процессора
Функционально центральный процессор можно разделить на две части:
Операционная часть. Содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ) и микропроцессорную память (МПП) - регистры общего назначения.
Интерфейсная часть. Содержит адресные регистры, устройство управления, регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты; схемы управления шиной и портами.
Обе части ЦП работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) происходит во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Такая организация ЦП позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Получив данные и команду, выполняет указанную операцию и записывает результат в один из свободных регистров.
Устройство управления (УУ) вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций в другие блоки вычислительной машины. УУ формирует управляющие сигналы для выполнения команд центрального процессора.
Системная шина – набор проводников, по которым передаются сигналы, соединяющая процессор с другими компонентами на системной плате. Системная шина состоит из шины данных, шины адреса, шины управления.
Шина адреса – используется для передачи сигналов, при помощи которых определяется местоположение ячейки памяти для выполняемых процессором операций ввода-вывода и чтения/записи
Шина данных – служит для пересылки данных между процессором и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ)
Шина управления – используется для пересылки управляющих сигналов. Каждая линия этой шины имеет своё особое назначение, поэтому они могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными
Модели процессора
Сложилось так, что процессорный рынок уверенно завоевали две компании: Intel и AMD. Именно эти две компании остро соперничают между собой и ведут постоянную борьбу за клиента, перехватывая время от времени инициативу друг у друга. Ниже представлены обозначения моделей процессоров этих фирм:
Характеристики процессора
Наиболее важным параметром процессора является его частота. Тактовая частота процессора на сегодняшний день измеряется в гигагерцах (ГГц), ранее измерялась в мегагерцах (МГц).
Частота на которой работает процессор компьютера определяется произведением частоты шины на некоторый множитель, который, как правило, нельзя изменять. Этот множитель задается автоматически, в зависимости от материнской платы. Однако, системные платы, которые позволяют делать "разгон" компьютера, разрешают делать изменение множителя, тем самым увеличивая скорость работы процессора в ущерб его надежности и долговечности работы.
Разные модели процессоров для своей нормальной работы требуют разные напряжения питания, которые можно увеличивать при разгоне компьютера.
Степпинг - модификации одного и того же ядра процессора, которые производятся с целью улучшения рабочих характеристик процессора.
На производительность (мощность) процессора влияют не только его тактовая частота и разрядность шины данных. Важное значение также имеет и объем кэш-памяти.
Кэш-память
Цифровые технологии таковы, что скорость работы процессора в несколько раз превышает скорость работы памяти. Поскольку процессор и память всегда работают в паре, то, фактически скорость работы компьютера определяется скоростью работы памяти. Получается, что процессор бо́льшую часть времени простаивает без дела в ожидании пока память обработает очередную порцию данных. Чтобы разрешить данную ситуацию придумали кэш-память, которая встраивается непосредственно в микросхему процессора и работает на скоростях соизмеримыми со скоростью работы процессора.
Кэш-память является одним из наиболее дорогих компонентов процессора - ее стоимость составляет половину его стоимости, но она позволяет значительно поднять производительность системы процессор-память, в результате чего значительно возрастает общая скорость работы компьютера.
Кэш-память процессора изготавливают в виде микросхем статической памяти (англ. Static Random Access Memory, сокращенно - SRAM). По сравнению с другими типами памяти, статическая память обладает очень высокой скоростью работы.
Из-за своей дороговизны размер кэш-памяти относительно небольшой, но этого оказывается вполне достаточно, так как в кэш-память помещаются только наиболее часто используемые в данный момент данные.
В большинстве процессоров используется трехуровневая система кэша:- L1 (кэш-память первого уровня), L2 (кэш-память второго уровня) и L3 (кэш-память третьего уровня).
Кэш-память первого уровня или L1 (от англ. Level - уровень) – очень маленькая, но самая быстрая и наиболее важная микросхема памяти. Ни в одном процессоре ее объем не превышает нескольких десятков килобайт. Работает она без каких-либо задержек. В ней содержатся данные, которые чаще всего используются процессором. Количество микросхем памяти L1 в процессоре, как правило, равно количеству его ядер. Каждое ядро имеет доступ только к своей микросхеме L1.
Кэш-память второго уровня (L2) немного медленнее кэш-памяти L1, но и объем ее более существенный (несколько сотен килобайт). Служит она для временного хранения важной информации, вероятность запроса которой ниже, чем у информации, находящейся в L1.
Кэш-память третьего уровня (L3) – еще более объемная, но и более медленная схема памяти. Тем не менее, она значительно быстрее оперативной памяти. Ее размер может достигать нескольких десятков мегабайт. В отличие от L1 и L2, она является общей для всех ядер процессора.
Что такое кэш?
TL;DR: это небольшая, но очень быстрая память, расположенная в непосредственной близости от логических блоков центрального процессора.
Однако мы, разумеется, можем узнать о кэше гораздо больше…
Давайте начнём с воображаемой волшебной системы хранения: она бесконечно быстра, может одновременно обрабатывать бесконечное количество операций передачи данных и всегда обеспечивает надёжное и безопасное хранение данных. Конечно же, ничего подобного и близко не существует, однако если бы это было так, то структура процессора была бы гораздо проще.
Процессорам бы тогда требовались только логические блоки для сложения, умножения и т.п, а также система управления передачей данных, ведь наша теоретическая система хранения способна мгновенно передавать и получать все необходимые числа; ни одному из логических блоков не приходится простаивать в ожидании передачи данных.
Но, как мы знаем, такой волшебной технологии хранения не существует. Вместо неё у нас есть жёсткие диски или твердотельные накопители, и даже самые лучшие из них далеки от возможностей обработки, необходимых для современного процессора.
Великий Т'Фон хранения данных
Причина этого заключается в том, что современные процессоры невероятно быстры — им требуется всего один тактовый цикл для сложения двух 64-битных целочисленных значений; если процессор работает с частотой 4 ГГЦ, то это составляет всего 0,00000000025 секунды, или четверть наносекунды.
В то же время, вращающемуся жёсткому диску требуются тысячи наносекунд только для нахождения данных на дисках, не говоря уже об их передаче, а твердотельным накопителям — десятки или сотни наносекунд.
Очевидно, что такие приводы невозможно встроить внутрь процессоров, поэтому между ними будет присутствовать физическое разделение. Поэтому ещё добавляется время на перемещение данных, что усугубляет ситуацию.
Увы, но это Великий А'Туин хранения данных
Именно поэтому нам нужна ещё одна система хранения данных, расположенная между процессором и основным накопителем. Она должна быть быстрее накопителя, способна одновременно управлять множеством операций передачи данных и находиться намного ближе к процессору.
Ну, у нас уже есть такая система, и она называется ОЗУ (RAM); она присутствует в каждом компьютере и выполняет именно эту задачу.
Почти все такие хранилища имеют тип DRAM (dynamic random access memory); они способны передавать данные гораздо быстрее, чем любой накопитель.
Однако, несмотря на свою огромную скорость, DRAM не способна хранить такие объёмы данных.
Одни из самых крупных чипов памяти DDR4, разработанных Micron, хранят 32 Гбит, или 4 ГБ данных; самые крупные жёсткие диски хранят в 4 000 раз больше.
Итак, хоть мы и повысили скорость нашей сети данных, нам потребуются дополнительные системы (аппаратные и программные), чтобы разобраться, какие данные должны храниться в ограниченном объёме DRAM, готовые к обработке процессором.
DRAM могут изготавливаться в корпусе чипа (это называется встроенной (embedded) DRAM). Однако процессоры довольно малы, поэтому в них не удастся поместить много памяти.
10 МБ DRAM слева от графического процессора Xbox 360. Источник: CPU Grave Yard
Подавляющее большинство DRAM расположено в непосредственной близости от процессора, подключено к материнской плате и всегда является самым близким к процессору компонентом. Тем не менее, эта память всё равно недостаточно быстра…
DRAM требуется примерно 100 наносекунд для нахождения данных, но, по крайней мере, она способна передавать миллиарды битов в секунду. Похоже, нам нужна ещё одна ступень памяти, которую можно разместить между блоками процессора и DRAM.
На сцене появляется оставшаяся ступень: SRAM (static random access memory). DRAM использует микроскопические конденсаторы для хранения данных в виде электрического заряда, а SRAM для той же задачи применяет транзисторы, которые работают с той же скоростью, что и логические блоки процессора (примерно в 10 раз быстрее, чем DRAM).
Разумеется, у SRAM есть недостаток, и он опять-таки связан с пространством.
Память на основе транзисторов занимает гораздо больше места, чем DRAM: в том же размере, что чип DDR4 на 4 ГБ, можно получить меньше 100 МБ SRAM. Но поскольку она производится по тому же технологическому процессу, что и CPU, память SRAM можно встроить прямо внутрь процессора, максимально близко к логическим блокам.
С каждой дополнительной ступенью мы увеличивали скорость перемещаемых данных ценой хранимого объёма. Мы можем продолжить и добавлять новые ступени,, которые будут быстрее, но меньше.
И так мы добрались до более строгого определения понятия кэша: это набор блоков SRAM, расположенных внутри процессора; они обеспечивают максимальную занятость процессора благодаря передаче и сохранению данных с очень высокими скоростями. Вас устраивает такое определение? Отлично, потому что дальше всё будет намного сложнее!
Кэш: многоуровневая парковка
На приведённом выше изображении процессор (CPU) обозначен прямоугольником с пунктирной границей. Слева расположены ALU (arithmetic logic units, арифметико-логические устройства); это структуры, выполняющие математические операции. Хотя строго говоря, они не являются кэшем, ближайший к ALU уровень памяти — это регистры (они упорядочены в регистровый файл).
Каждый из них хранит одно число, например, 64-битное целое число; само значение может быть элементом каких-нибудь данных, кодом определённой инструкции или адресом памяти каких-то других данных.
Регистровый файл в десктопных процессорах довольно мал, например, в каждом из ядер Intel Core i9-9900K есть по два банка таких файлов, а тот, который предназначен для целых чисел, содержит всего 180 64-битных целых чисел. Другой регистровый файл для векторов (небольших массивов чисел) содержит 168 256-битных элементов. То есть общий регистровый файл каждого ядра чуть меньше 7 КБ. Для сравнения: регистровый файл потоковых мультипроцессоров (так в GPU называются аналоги ядер CPU) Nvidia GeForce RTX 2080 Ti имеет размер 256 КБ.
Регистры, как и кэш, являются SRAM, но их скорость не превышает скорость обслуживаемых ими ALU; они передают данные за один тактовый цикл. Но они не предназначены для хранения больших объёмов данных (только одного элемента), поэтому рядом с ними всегда есть более крупные блоки памяти: это кэш первого уровня (Level 1).
Одно ядро процессора Intel Skylake. Источник: Wikichip
На изображении выше представлен увеличенный снимок одного из ядер десктопного процессора Intel Skylake.
ALU и регистровые файлы расположены слева и обведены зелёной рамкой. В верхней части фотографии белым обозначен кэш данных первого уровня (Level 1 Data cache). Он не содержит много информации, всего 32 КБ, но как и регистры, он расположен очень близко к логическим блокам и работает на одной скорости с ними.
Ещё одним белым прямоугольником справа показан кэш инструкций первого уровня (Level 1 Instruction cache), тоже имеющий размер 32 КБ. Как понятно из названия, в нём хранятся различные команды, готовые к разбиению на более мелкие микрооперации (обычно обозначаемые μops), которые должны выполнять ALU. Для них тоже существует кэш, который можно классифицировать как Level 0, потому что он меньше (содержит всего 1 500 операций) и ближе, чем кэши L1.
Вы можете задаться вопросом: почему эти блоки SRAM настолько малы? Почему они не имеют размер в мегабайт? Вместе кэши данных и инструкций занимают почти такую же площадь на чипе, что основные логические блоки, поэтому их увеличение приведёт к повышению общей площади кристалла.
Но основная причина их размера в несколько килобайт заключается в том, что при увеличении ёмкости памяти повышается время, необходимое для поиска и получения данных. Кэшу L1 нужно быть очень быстрым, поэтому необходимо достичь компромисса между размером и скоростью — в лучшем случае для получения данных из этого кэша требуется около 5 тактовых циклов (для значений с плавающей запятой больше).
Кэш L2 процессора Skylake: 256 КБ SRAM
Но если бы это был единственный кэш внутри процессора, то его производительность наткнулась бы на неожиданное препятствие. Именно поэтому в ядра встраивается еще один уровень памяти: кэш Level 2. Это обобщённый блок хранения, содержащий инструкции и данные.
Он всегда больше, чем Level 1: в процессорах AMD Zen 2 он занимает до 512 КБ, чтобы кэши нижнего уровня обеспечивались достаточным объёмом данных. Однако большой размер требует жертв — для поиска и передачи данных из этого кэша требуется примерно в два раза больше времени по сравнению с Level 1.
Во времена первого Intel Pentium кэш Level 2 был отдельным чипом, или устанавливаемым на отдельной небольшой плате (как ОЗУ DIMM), или встроенным в основную материнскую плату. Постепенно он перебрался в корпус самого процессора, и, наконец, полностью интегрировался в кристалл чипа; это произошло в эпоху таких процессоров, как Pentium III и AMD K6-III.
За этим достижением вскоре последовал ещё один уровень кэша, необходимый для поддержки более низких уровней, и появился он как раз вовремя — в эпоху расцвета многоядерных чипов.
Чип Intel Kaby Lake. Источник: Wikichip
Кэш третьего уровня (Level 3), хоть и расположен непосредственно рядом с одним ядром, является полностью общим для всех остальных — каждое ядро свободно может получать доступ к содержимому кэша L3 другого ядра. Он намного больше (от 2 до 32 МБ), но и намного медленнее, в среднем более 30 циклов, особенно когда ядру нужно использовать данные, находящиеся в блоке кэша, расположенного на большом расстоянии.
Ниже показано одно ядро архитектуры AMD Zen 2: кэши Level 1 данных и инструкций по 32 КБ (в белых прямоугольниках), кэш Level 2 на 512 КБ (в жёлтых прямоугольниках) и огромный блок кэша L3 на 4 МБ (в красном прямоугольнике).
Увеличенный снимок одного ядра процессора AMD Zen 2. Источник: Fritzchens Fritz
Но постойте: как 32 КБ могут занимать больше физического пространства чем 512 КБ? Если Level 1 хранит так мало данных, почему он непропорционально велик по сравнению с кэшами L2 и L3?
Не только числа
Кэш повышает производительность, ускоряя передачу данных в логические блоки и храня поблизости копию часто используемых инструкций и данных. Хранящаяся в кэше информация разделена на две части: сами данные и место, где они изначально располагаются в системной памяти/накопителе — такой адрес называется тег кэша (cache tag).
Когда процессор выполняет операцию, которой нужно считать или записать данные из/в память, то он начинает с проверки тегов в кэше Level 1. Если нужные данные там есть (произошло кэш-попадание (cache hit)), то доступ к этим данным выполняется почти сразу же. Промах кэша (cache miss) возникает, если требуемый тег не найден на самом нижнем уровне кэша.
В кэше L1 создаётся новый тег, а за дело берётся остальная часть архитектуры процессора выполняющая поиск в других уровнях кэша (при необходимости вплоть до основного накопителя) данных для этого тега. Но чтобы освободить пространство в кэше L1 под этот новый тег, что-то обязательно нужно перебросить в L2.
Это приводит к почти постоянному перемешиванию данных, выполняемому всего за несколько тактовых циклов. Единственный способ добиться этого — создание сложной структуры вокруг SRAM для обработки управления данными. Иными словами, если бы ядро процессора состояло всего из одного ALU, то кэш L1 был бы гораздо проще, но поскольку их десятки (и многие из них жонглируют двумя потоками инструкций), то для перемещения данных кэшу требуется множество соединений.
Для изучения информации кэша в процессоре вашего компьютера можно использовать бесплатные программы, например CPU-Z. Но что означает вся эта информация? Важным элементом является метка set associative (множественно-ассоциативный) — она указывает на правила, применяемые для копирования блоков данных из системной памяти в кэш.
Инклюзивный кэш L1+L2, victim cache L3, политики write-back, есть даже ECC. Источник: Fritzchens Fritz
Ещё один аспект сложности кэша связан с тем, как хранятся данные между разными уровнями. Правила задаются в inclusion policy (политике инклюзивности). Например, процессоры Intel Core имеют полностью инклюзивные кэши L1+L3. Это означает, что одни данные в Level 1, например, могут присутствовать в Level 3. Может показаться, что это пустая трата ценного пространства кэша, однако преимущество заключается в том, что если процессор совершает промах при поиске тега в нижнем уровне, ему не потребуется обыскивать верхний уровень для нахождения данных.
В тех же самых процессорах кэш L2 неинклюзивен: все хранящиеся там данные не копируются ни на какой другой уровень. Это экономит место, но приводит к тому, что системе памяти чипа нужно искать ненайденный тег в L3 (который всегда намного больше). Victim caches (кэши-жертвы) имеют похожий принцип, но они используются для хранения информации, переносимой с более низких уровней. Например, процессоры AMD Zen 2 используют victim cache L3, который просто хранит данные из L2.
Графический процессор Nvidia GA100, имеющий 20 МБ кэша L1 и 40 МБ кэша L2
Для проектировщиков процессоров выбор объёма, типа и политики кэшей является вопросом уравновешивания стремления к повышению мощности процессора с увеличением его сложности и занимаемым чипом пространством. Если бы можно было создать 1000-канальные ассоциативные кэши Level 1 на 20 МБ такими, чтобы они при этом не занимали площадь Манхэттена (и не потребляли столько же энергии), то у нас у всех бы были компьютеры с такими чипами!
Самый нижний уровень кэшей в современных процессорах за последнее десятилетие практически не изменился. Однако кэш Level 3 продолжает расти в размерах. Если бы десять лет назад у вас было 999 долларов на Intel i7-980X, то вы могли бы получить кэш размером 12 МБ. Сегодня за половину этой суммы можно приобрести 64 МБ.
Подведём итог: кэш — это абсолютно необходимое и потрясающее устройство. Мы не рассматривали другие типы кэшей в CPU и GPU (например, буферы ассоциативной трансляции или кэши текстур), но поскольку все они имеют такую же простую структуру и расположение уровней, разобраться в них будет несложно.
Был ли у вас компьютер с кэшем L2 на материнской плате? Как насчёт слотовых Pentium II и Celeron (например, 300a) на дочерних платах? Помните свой первый процессор с общим L3?
На правах рекламы
Наша компания предлагает в аренду серверы с процессорами от Intel и AMD. В последнем случае — это эпичные серверы! VDS с AMD EPYC, частота ядра CPU до 3.4 GHz. Максимальная конфигурация — 128 ядер CPU, 512 ГБ RAM, 4000 ГБ NVMe.
Одним из немаловажных факторов повышающих производительность процессора, является наличие кэш-памяти, а точнее её объём, скорость доступа и распределение по уровням.
Уже достаточно давно практически все процессоры оснащаются данным типом памяти, что ещё раз доказывает полезность её наличия. В данной статье, мы поговорим о структуре, уровнях и практическом назначении кэш-памяти, как об очень немаловажной характеристике процессора .
Что такое кэш-память и её структура
Кэш-память – это сверхбыстрая память используемая процессором, для временного хранения данных, которые наиболее часто используются. Вот так, вкратце, можно описать данный тип памяти.
Кэш-память построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых состоит оперативная память . Это тянет за собой множество трудностей в производстве, а также ограничения в объёмах. Именно поэтому кэш память является очень дорогой памятью, при этом обладая ничтожными объёмами. Но из такой структуры, вытекает главное преимущество такой памяти – скорость. Так как триггеры не нуждаются в регенерации, а время задержки вентиля, на которых они собраны, невелико, то время переключения триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро. Это и позволяет кэш-памяти работать на таких же частотах, что и современные процессоры.
Также, немаловажным фактором является размещение кэш-памяти. Размещена она, на самом кристалле процессора, что значительно уменьшает время доступа к ней. Ранее, кэш память некоторых уровней, размещалась за пределами кристалла процессора, на специальной микросхеме SRAM где-то на просторах материнской платы. Сейчас же, практически у всех процессоров, кэш-память размещена на кристалле процессора.
Для чего нужна кэш-память процессора?
Как уже упоминалось выше, главное назначение кэш-памяти – это хранение данных, которые часто используются процессором. Кэш является буфером, в который загружаются данные, и, несмотря на его небольшой объём, (около 4-16 Мбайт) в современных процессорах , он дает значительный прирост производительности в любых приложениях.
Чтобы лучше понять необходимость кэш-памяти, давайте представим себе организацию памяти компьютера в виде офиса. Оперативная память будет являть собою шкаф с папками, к которым периодически обращается бухгалтер, чтобы извлечь большие блоки данных (то есть папки). А стол, будет являться кэш-памятью.
Есть такие элементы, которые размещены на столе бухгалтера, к которым он обращается в течение часа по несколько раз. Например, это могут быть номера телефонов, какие-то примеры документов. Данные виды информации находятся прямо на столе, что, в свою очередь,увеличивает скорость доступа к ним.
Точно так же, данные могут добавиться из тех больших блоков данных (папок), на стол, для быстрого использования, к примеру, какой-либо документ. Когда этот документ становится не нужным, его помещают назад в шкаф (в оперативную память), тем самым очищая стол (кэш-память) и освобождая этот стол для новых документов, которые будут использоваться в последующий отрезок времени.
Уровни кэш-памяти процессора
Современные процессоры, оснащены кэшем, который состоит, зачастую из 2–ух или 3-ёх уровней. Конечно же, бывают и исключения, но зачастую это именно так.
В общем, могут быть такие уровни: L1 (первый уровень), L2 (второй уровень), L3 (третий уровень). Теперь немного подробнее по каждому из них:
Кэш первого уровня (L1) – наиболее быстрый уровень кэш-памяти, который работает напрямую с ядром процессора, благодаря этому плотному взаимодействию, данный уровень обладает наименьшим временем доступа и работает на частотах близких процессору. Является буфером между процессором и кэш-памятью второго уровня.
Мы будем рассматривать объёмы на процессоре высокого уровня производительности Intel Core i7-3770K. Данный процессор оснащен 4х32 Кб кэш-памяти первого уровня 4 x 32 КБ = 128 Кб. (на каждое ядро по 32 КБ)
Кэш третьего уровня (L3) – третий уровень, опять же, более медленный, нежели два предыдущих. Но всё равно он гораздо быстрее, нежели оперативная память. Объём кэша L3 в i7-3770K составляет 8 Мбайт. Если два предыдущих уровня разделяются на каждое ядро, то данный уровень является общим для всего процессора. Показатель довольно солидный, но не заоблачный. Так как, к примеру, у процессоров Extreme-серии по типу i7-3960X, он равен 15Мб, а у некоторых новых процессоров Xeon, более 20.
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Содержание.
Введение……………………………………………………………………………………….1
Описание устройства. Принципы кэширования………………………………………. 5
Основные режимы работы…………………………………………………………………9
Алгоритм и принцип действия…………………………………………………………. 13
Недостатки работы устройства при кэшировании……………………………………15
Предложения по повышению эффективности доступа к данным…………………..16
Список используемой литературы………………………………………………………20
Введение.
Память вычислительной машины представляет собой иерархию запоминающих устройств (внутренние регистры процессора, различные типы сверхоперативной и оперативной памяти, диски, ленты), отличающихся средним временем доступа и стоимостью хранения данных в расчете на один бит. Пользователю хотелось бы иметь и недорогую и быструю память. Кэш-память представляет некоторое компромиссное решение этой проблемы.
Иерархия ЗУ
Диаграмма кэша памяти ЦПУ:
Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.
Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдено записей, содержащих затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становятся доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.
Например, веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы, соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL —- это идентификатор, а содержимое веб-страницы —- это элементы данных.
Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используется так называемый алгоритм вытеснения (см. алгоритмы вытеснения).
При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.
В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.
В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.
Кэш-память - это способ организации совместного функционирования двух типов запоминающих устройств, отличающихся временем доступа и стоимостью хранения данных, который позволяет уменьшить среднее время доступа к данным за счет динамического копирования в "быстрое" ЗУ наиболее часто используемой информации из "медленного" ЗУ.
Кэш-памятью часто называют не только способ организации работы двух типов запоминающих устройств, но и одно из устройств - "быстрое" ЗУ. Оно стоит дороже и, как правило, имеет сравнительно небольшой объем. Важно, что механизм кэш-памяти является прозрачным для пользователя, который не должен сообщать никакой информации об интенсивности использования данных и не должен никак участвовать в перемещении данных из ЗУ одного типа в ЗУ другого типа, все это делается автоматически системными средствами.
Архитектура современных 32-разрядных процессоров включает ряд средств кэширования памяти: два уровня кэша инструкций и данных (L1 Cache и L2 Cache), буферы ассоциативной трансляции (TLB) блока страничной переадресации и буферы записи. Эти средства в разных вариациях (на кристалле, картридже процессора или на системной плате) представлены в системах с процессорами 486, Pentium и Р6. В процессоре 80386 (Intel) имелся только TLB, a кэш-память, устанавливаемая на системной плате, не имела поддержки со стороны процессора.
Описание устройства. Принципы кэширования.
Кэш-контроллер должен обеспечивать когерентность (coherency) — согласованность данных кэш-памяти обоих уровней с данными в основной памяти, при том условии, что обращение к этим данным может производиться не только процессором, но и другими активными (busmaster) адаптерами, подключенными к шинам (PCI, VLB, ISA и т. д.). Следует также учесть, что процессоров может быть несколько, и у каждого может быть свой внутренний кэш.
Контроллер кэша оперирует строками (cache line) фиксированной длины. Строка может хранить копию блока основной памяти, размер которого, естественно, совпадает с длиной строки. С каждой строкой кэша связана информация об адресе скопированного в нее блока основной памяти и об ее состоянии. Строка может быть действительной (valid) — это означает, что в текущий момент времени она достоверно отражает соответствующий блок основной памяти, или недействительной . Информация о том, какой именно блок занимает данную строку (то есть старшая часть адреса или номер страницы), и о ее состоянии называется тегом (tag) и хранится в связанной с данной строкой ячейке специальной памяти тегов (tag RAM). В операциях обмена с основной памятью обычно строка участвует целиком (несекторированный кэш), для процессоров 486 и старше длина строки совпадает с объемом данных, передаваемых за один пакетный цикл (для 486 это 4х4=16 байт, для Pentium 4x8=32 байт). Возможен и вариант секторированного (sectored) кэша, при котором одна строка содержит несколько смежных ячеек — секторов , размер которых соответствует минимальной порции обмена данных кэша с основной памятью. При этом в записи каталога, соответствующей каждой строке, должны храниться биты действительности для каждого сектора данной строки. Секторирование позволяет экономить память, необходимую для хранения каталога при увеличении объема кэша, поскольку большее количество бит каталога отводится под тег и выгоднее использовать дополнительные биты действительности, чем увеличивать глубину индекса (количество элементов) каталога.
Строки кэша под отображение блока памяти выделяются при промахах операций чтения, в Р6 строки заполняются и при записи. Запись блока, не имеющего копии в кэше, производится в основную память (для повышения быстродействия запись может производиться через буфер отложенной записи). Поведение кэш-контроллера при операции записи в память, когда копия затребованной области находится в некоторой строке кэша, определяется его алгоритмом, или политикой записи (Write Policy). Существуют две основные политики записи данных из кэша в основную память: сквозная запись WT (Write Through) и обратная запись WB (Write Back).
Политика WT предусматривает выполнение каждой операции записи (даже однобайтной), попадающей в кэшированный блок, одновременно и в строку кэша, и в основную память. При этом процессору при каждой операции записи придется выполнять относительно длительную запись в основную память. Алгоритм достаточно прост в реализации и легко обеспечивает целостность данных за счет постоянного совпадения копий данных в кэше и основной памяти. Для него не нужно хранить признаки присутствия и модифицированности — вполне достаточно только информации тега (при этом считается, что любая строка всегда отражает какой-либо блок, а какой именно — указывает тег). Но эта простота оборачивается низкой эффективностью записи. Существуют варианты этого алгоритма с применением отложенной буферированной записи, при которой данные в основную память переписываются через FIFO-буфер во время свободных тактов шины.
Политика WB позволяет уменьшить количество операций записи на шине основной памяти. Если блок памяти, в который должна производиться запись, отображен в кэше, то физическая запись сначала будет произведена в эту действительную строку кэша, и она будет отмечена как грязная (dirty), или модифицированная, то есть требующая выгрузки в основную память. Только после этой выгрузки (записи в основную память) строка станет чистой (clean), и ее можно будет использовать для кэширования других блоков без потери целостности данных. В основную память данные переписываются только целой строкой. Эта выгрузка контроллером может откладываться до наступления крайней необходимости (обращение к кэшированной памяти другим абонентом, замещение в кэше новыми данными) или выполняться в свободное время после модификации всей строки. Данный алгоритм сложнее в реализации, но существенно эффективнее, чем WT. Поддержка системной платой кэширования с обратной записью требует обработки дополнительных интерфейсных сигналов для выгрузки модифицированных строк в основную память, если к этой области производится обращение со стороны таких контроллеров шины, как другие процессоры, графические адаптеры, контроллеры дисков, сетевые адаптеры и т. п.
В зависимости от способа определения взаимного соответствия строки кэша и области основной памяти различают три архитектуры кэш-памяти: кэш прямого отображения (direct-mapped cache), полностью ассоциативный кэш (fully associative cache) и их комбинация — частично- или наборно-ассоциативный кэш (set-associative cache).
2. Основные режимы работы.
2.1 Кэш прямого отображения.
Рис. 2.
Кэш прямого отображения.
В кэш-памяти прямого отображения адрес памяти, по которому происходит обращение, однозначно определяет строку кэша, в которой может находиться требуемый блок. Принцип работы такого кэша поясним на примере несекторированного кэша объемом 256 Кбайт с размером строки 32 байта и объемом кэшируемой основной памяти 64 Мбайт — типичный кэш системной платы для Pentium. Структуру памяти в такой системе иллюстрирует рис. 2.
Кэшируемая основная память условно разбивается на страницы (в данном случае 256), размер которых совпадает с размером кэш-памяти (256 Кбайт). Кэш-память (и условно страницы основной памяти) делится на строки (256К / 32 = 8К строк). Архитектура прямого отображения подразумевает, что каждая строка кэша может отображать из любой страницы кэшируемой памяти только соответствующую ей строку (на рисунке они находятся на одном горизонтальном уровне). Поскольку объем основной памяти много больше объема кэша, на каждую строку кэша может претендовать множество блоков памяти с одинаковой младшей частью адреса (смещением внутри страницы). Одна строка в определенный момент может, естественно, содержать копию только одного из этих блоков. Номер (адрес) строки в кэш-памяти называется индексом (index). Тег несет информацию о том, какой именно блок занимает данную строку (то есть старшая часть адреса или номер страницы). Память тегов должна иметь количество ячеек, равное количеству строк кэша, а ее разрядность должна быть достаточной, чтобы вместить старшие биты адреса кэшируемой памяти, не попавшие на шину адреса кэш-памяти. Кроме адресной части тега с каждой строкой кэша связаны биты признаков действительности и модифицированности данных.
Такой кэш имеет самую простую аппаратную реализацию и применяется во вторичном кэше большинства системных плат. Однако ему присущ серьезный недостаток, вполне очевидный при рассмотрении рис. 2. Если в процессе выполнения программы процессору поочередно будут требоваться блоки памяти, смещенные относительно друг друга на величину, кратную размеру страницы (на рисунке это будут блоки, расположенные на одной горизонтали в разных страницах), то кэш будет работать интенсивно, но вхолостую (cache trashing). Очередное обращение будет замещать данные, считанные в предыдущем и потребующиеся в последующем обращении, — то есть будет сплошная череда кэш-промахов. Переключение страниц в многозадачных ОС также снижает количество кэш-попаданий, что отражается на производительности системы. Увеличение размера кэша при сохранении архитектуры прямого отображения даст не очень существенный эффект, поскольку разные задачи будут претендовать на одни и те же строки кэша. Не увеличивая объема, можно повысить эффективность кэширования изменением структуры кэша, о чем пойдет речь далее.
Объем кэшируемой памяти (M CACHED ) при архитектуре прямого отображения определяется объемом кэш-памяти (V CACHE ) и разрядностью памяти тегов (N):
M CACHED = V CACHE x 2 N , в нашем случае M CACHED = 256 Кбайт х 2 8 = 64 Мбайт.
Иногда в описании кэша прямого отображения фигурирует понятие набор (set), что может сбить с толку. Оно применяется вместо термина строка (line) в секторированном кэше прямого отображения , а сектор тогда называют строкой . С набором (как и строкой несекторированного кэша) связана информация о теге, относящаяся ко всем элементам набора (строкам или секторам). Кроме того, каждый элемент набора (строка или сектор) имеет собственный бит действительности в кэш-каталоге (рис. 3).
Рис. 3.
Секторированный кэш прямого отображения.
2.2 Наборно-ассоциативный кэш.
Наборно-ассоциативная архитектура кэша позволяет каждому блоку кэшируемой памяти претендовать на одну из нескольких строк кэша, объединенных в набор (set). Можно считать, что в этой архитектуре есть несколько параллельно и согласованно работающих каналов прямого отображения, где контроллеру кэша приходится принимать решение о том, в какую из строк набора помещать очередной блок данных.
В простейшем случае каждый блок памяти может помещаться в одну из двух строк (Two Way SetAssociative Cache). Такой кэш должен содержать два банка памяти и тегов (рис. 4).
Рис. 4.
Двухканальный наборно-ассоциативный кэш.
Номер набора (индекс), в котором может отображаться затребованный блок данных, однозначно определяется средней частью адреса (как номер строки в кэше прямого отображения). Строка набора, отображающая требуемый блок, определяется сравнением тегов (как и в ассоциативном кэше), параллельно выполняемым для всех каналов кэша. Кроме того, с каждым набором должен быть связан признак, определяющий строку набора, подлежащую замещению новым блоком данных в случае кэш-промаха (на рис. 4 в ее сторону указывает стрелка). Кандидатом на замещение обычно выбирается строка, к которой дольше всего не обращались (алгоритм LRU — Least Recently Used). При относительно большом количестве каналов (строк в наборе) прибегают к некоторому упрощению — алгоритм PseudoLRU для четырех строк (Four Way Set Associative Cache) позволяет принимать решения, используя всего 3 бита. Возможно также применение алгоритма замещения FIFO (первым вошел — первым и вышел) или даже случайного (random) замещения, что проще, но менее эффективно.
Наборно-ассоциативная архитектура широко применяется для первичного кэша современных процессоров. Объем кэшируемой памяти определяется так же, как и в предыдущем варианте, но здесь будет фигурировать объем одного банка (а не всего кэша) и разрядность относящихся к нему ячеек тега.
2.3. Ассоциативный кэш.
В отличие от предыдущих у полностью ассоциативного кэша любая его строка может отображать любой блок памяти, что существенно повышает эффективность использования его ограниченного объема. При этом все биты адреса кэшированного блока, за вычетом бит, определяющих положение (смещение) данных в строке, хранятся в памяти тегов. В такой архитектуре для определения наличия затребованных данных в кэш-памяти требуется сравнение со старшей частью адреса тегов всех строк, а не одной или нескольких, как при прямом отображении или наборно-ассоциативной архитектуре. Естественно, последовательный перебор ячеек памяти тегов отпадает — на это может уйти слишком много времени. Остается параллельный анализ всех ячеек, что является сложной аппаратной задачей, которая пока решена только для небольших объемов первичного кэша в некоторых процессорах. Применение полностью ассоциативной архитектуры во вторичном кэше пока не предвидится.
3. Алгоритмы и принцип действия.
3.1 Алгоритмы замещения данных.
При возникновении промаха, контроллер кэш-памяти должен выбрать подлежащий замещению блок. Польза от использования организации с прямым отображением заключается в том, что аппаратные решения здесь наиболее простые. Выбирать просто нечего: на попадание проверяется только один блок и только этот блок может быть замещен. При полностью ассоциативной или множественно-ассоциативной организации кэш-памяти имеются несколько блоков, из которых надо выбрать кандидата в случае промаха. Как правило, для замещения блоков применяются две основных стратегии: случайная ( Random ) и LRU.
В первом случае, чтобы иметь равномерное распределение, блоки-кандидаты выбираются случайно. В некоторых системах, чтобы получить воспроизводимое поведение, которое особенно полезно во время отладки аппаратуры, используют псевдослучайный алгоритм замещения.
Во втором случае, чтобы уменьшить вероятность выбрасывания информации, которая скоро может потребоваться, все обращения к блокам фиксируются. Заменяется тот блок, который не использовался дольше всех (LRU - Least-Recently Used).
Достоинство случайного способа заключается в том, что его проще реализовать в аппаратуре. Когда количество блоков для поддержания трассы увеличивается, алгоритм LRU становится все более дорогим и часто только приближенным. В таблице показаны различия в долях промахов при использовании алгоритма замещения LRU и случайного алгоритма.
Читайте также: