Секторный способ организации КЭШ

Объем сегмента равен объему сектора. В свою очередь сегменты и сектора делятся на блоки равной величины. Число блоков в сегменте и секторе совпадают. Поскольку КЭШ меньше емкости ОП, количество секторов будет меньше количества сегментов. Каждому сектору в КЭШ соответствует регистр номера присутствующего сегмента (РНПС). РНПС хранит номер сегмента, находящегося в данный момент в данном секторе. i-ый блок j-ого сегмента может находиться только на месте i-ого блока k-ого сектора. Каждый блок в секторе снабжен битом присутствия. Если бит присутствия равен единице, то в данный момент этот блок находится в КЭШ, если равен нулю, то блок отсутствует. При обращении к ОП ЦП выдает физический (исполнительный) адрес.

 

Исполнительный адрес состоит из трех групп разрядов. Чтобы определить находится ли адресуемая информация в КЭШ необходимо выделить в начале старшие разряды исполнительного адреса, которые определяют номер сегмента. Старшие разряды сравнивают с содержимым РНПС. В том регистре, где произошло совпадение, будет означать, что адресуемый сегмент находится в КЭШ и он расположен в секторе, соответствующему этому сегменту. Далее выделяются средние разряды исполнительного адреса, которые указывают номер блока. Для соответствующего блока уже в найденном секторе анализируется бит присутствия. Если бит присутствия равен единице, то это означает, что адресуемая информация хранится в КЭШ. Если бит присутствия равен нулю, то это означает, что адресуемого блока в КЭШ нет, происходит обращение к ОП. Адресуемый блок подкачивается в КЭШ и бит присутствия для него устанавливается в единицу. ЦП обращается в КЭШ по чтению или по записи информации. При обращении по чтению информация не меняется, поэтому после обращения информация в КЭШ и ОП идентична. При записи информация в КЭШ изменяется, поэтому существуют две дисциплины работы:

1. сквозная запись;
2. признаковый обмен.

При сквозной записи информация одновременно пишется в КЭШ и ОП.

При признаковом обмене каждый блок снабжен дополнительно битом изменения. При записи информации в соответствующий блок КЭШ бит изменения устанавливается в единицу, что говорит том, что блок КЭШ и соответствующий блок ОП различны. Этот признак анализируется при вытеснении сегмента.

В том случае, если старшие разряды исполнительного адреса не совпали ни с одним из регистров РНПС, это означает, что адресуемый сегмент отсутствует в КЭШ. Чтобы подкачать адресуемый сегмент в КЭШ предварительно должен быть вытеснен один из сегментов, находящихся в КЭШ. Существуют различные алгоритмы определения номера вытесняемого сегмента. После определения номера вытесняемого сегмента из некоторого сектора при признаковом обмене для всех блоков анализируется бит изменения. Те блоки, для которых бит изменения равен единице переписываются в ОП. Далее все биты присутствия и изменения для всех блоков сбрасываются в ноль. При сквозной записи вытеснение сегмента состоит только в обнулении битов присутствия.

Подкачка адресуемого сегмента в КЭШ заключается только в занесении номера адресуемого сегмента на регистр РНПС. Подкачка блоков в адресуемый сегмент будет производиться к моментам обращения к блокам по алгоритму, изложенному выше, т.е. выделяются средние разряды исполнительного адреса, сравниваются с битом присутствия, если бит присутствия равен нулю – блока нет, и адресуемый блок подкачивается из ОП.

Частным случаем секторного способа является буфер прямого соответствия, когда число секторов равно единице.

 

Группо-ассоциативный способ

Так же как и в предыдущем случае, ОП разбивается на сегменты, КЭШ разбивается на сектора. Сегменты и сектора разбиваются на равные блоки, число блоков в секторе и сегменте совпадают. i-ый блок сегмента ОП может располагаться только в i-ом блоке некоторого сектора КЭШ. Но в отличии от предыдущего случая, в одном секторе могут располагаться блоки, относящиеся к различным сегментам. В связи с этим, каждый блок снабжен адресной частью, в которой записывается номер сегмента, к которому принадлежит этот блок. Бит присутствия отсутствует.

При выдачи исполнительно адреса сначала выделяются средние разряды, которые указывают номер адресуемого блока. В каждом секторе КЭШ помечаются блоки с указанным номером. Для выделенных блоков анализируются их адресные части на предмет совпадения со старшими разрядами исполнительного адреса, который указывает номер сегмента.

Если для какого-то блока адресная часть совпала со старшими разрядами исполнительного адреса, то это означает, что адресуемый блок находится в КЭШ, и к нему производится обращение со стороны ЦП по чтению или по записи. При обращении по записи выделяют признаковый обмен и сквозную запись. При сквозной записи информация параллельно пишется в адресуемый блок КЭШ и ОП. При признаковом обмене каждый блок дополнительно снабжен битом изменения. При записи информация заносится только лишь в блок КЭШ, и соответствующий бит изменения устанавливается равным единице.

В том случае, если адресная часть не совпала ни для одного из блоков со старшим разрядами исполнительного адреса, то это означает, что адресуемый блок в КЭШ отсутствует. Требуется вытеснение одного из блоков с аналогичным номером из КЭШ и на его место подкачка адресуемого блока. При вытеснение блока по определенному алгоритму определяется какой блок будет вытесняться. Если используется признаковый обмен, то анализируется бит изменения. Если бит изменения равен единице, то предварительно этот блок переписывается в ОП. После этого адресуемый блок записывается в КЭШ. Старшие разряды исполнительного адреса записываются в адресную часть адресуемого блока. При сквозной записи блок и номер сегмента сразу же записываются в КЭШ.

Расширением группо-ассоциативного способа является ассоциативный способ организации.

Ассоциативный способ

i-ый блок ОП может быть помещен на место j-го блока КЭШ памяти. В одном секторе могут находиться блоки, относящиеся к разным сегментам.

Адресная часть каждого блока содержит номер сегмента и номер блока. При выдаче ЦП исполнительного адреса выделяются сразу средние и старшие его разряды и проверяются с адресными частями каждого из блоков КЭШ – производится ассоциативный поиск.