Организация кэш прямого отображения

Кэш прямого отображения (direct mapped) наиболее дешевый и простой по организации.
Область оперативной памяти разбивается на блоки. На такие же блоки разбивается кэш память. Количество блоков в кэш значительно меньше, чем количество блоков в ОЗУ. Каждый блок основной памяти имеет только одно фиксированное место, на котором он может появиться в кэш-памяти.
При записи данных в кэш каждый блок оперативной памяти может претендовать только на определенный блок кэш памяти. Например, на месте первого блока кэш памяти, состоящей из четырех блоков прямого отображения (рис. 1.), может размещаться первый блок ОЗУ, пятый, девятый и т.д. На место второго блока в кэш претендуют блоки 2-ой, 6-ой, 10-ый и т.д. Как видим, на одну и ту же область кэш претендует несколько блоков ОЗУ, что может привести к конфликтам.

tag-№ страницы

index-№ строки

bute-слово в строке

Блоки в свою очередь разбиваются на страницы, а те, в свою очередь, на строки.

Рис. 1. Кэш прямого отображения

Кроме того, даже если конфликты разрешаются схемой управления, то при последовательном обращении к блокам, претендующим на одно и то же место в кэш, происходит постоянная замена блоков.

Кэш L2 строится, как кэш прямого отображения.

Недостатки данного метода:

- одинаковые строки с разных страниц не могут одновременно отображаться в Кэш;

- запись происходит медленно, т. к. требуется найти нужное свободное место в Кэш для записи.

Достоинства:

- считывание происходит быстро, т. к. место в Кэш известно (определенное).

Рассмотрим конкретный пример:

Определить количество страниц для Кэш прямого отображения 256 Кбайт с размером строки 32 байта для ОП объемом 64 Мбайта.

Решение:

ОП объемом (емкостью) 64 Мбайта может адресоваться с помощью 26-ти адресов

(2²⁶ = 67 108 864 =64*1024*1024).

А_оп =log₂ 667108864

Кэш объемом (емкостью) 256 Кбайт можно адресовать с помощью 18-ти адресов (256*1024=262 144= 2¹⁸) А_кэш=log₂ 262144

Кэшируемая память разбивается на страницы размер которых совпадает с размером Кэш памяти. т.е. количество страниц в ОП равно емкости ОП деленной на емкость Кэш. В нашем примере количество страниц = 2²⁶/2¹⁸=2 ⁸ =256. На номер страницы в ОП указывают старшие 8 бит разрядов адреса ОП называемые Tag.

Страницы ОП делятся на строки. Каждая строка в нашем примере содержит 32 байта, то количество строк можно рассчитать разделив емкость страницы ОП (емкость Кэш) на длину строки (32 = 2⁵). В нашем случае: 2¹⁸/2⁵=2 ¹³ =8192 строк. На номер строки указывают следующие 13 бит адреса ОП, называемые Index. Младшие оставшиеся 4 бита адреса ОП указывают на номер байта в строке (byte).

Адрес ОП

№ страницы ОП

№ строки в странице

№ байта в строке

Tag

Index

byte

Еще раз подчеркнем, что Кэш прямого отображения подразумевает, что каждая строка Кэш может отображаться из любой страницы ОП только в соответствующую ей строку.

Например, при обращении к ОП по адресу 0080Е4A в Кэш обращение будет:

Адрес ОП

№ страницы ОП

№ строки в странице

№ байта в строке

Tag

Index

byte

Номер страницы ОП (Tag) = 02₁₆=02₁₀;

Номер строки на странице (Index)= 0072₁₆=114₁₀

Номер байта в строке (byte) =0A₁₆=10₁₀.