Полностью ассоциативный кэш

Кэш с полностью ассоциативным отображением позволяет преодолеть недостаток прямого, разрешая загрузку любой строки ОП в любую строку кэш-памяти. Логика управления выделяет в адресе ОП два поля: поле тега и поле слова. Поле тега совпадает с адресом блока ОП. Для проверки наличия копии блока в кэш-памяти, логика управления кэш должна одновременно проверить теги всех строк на совпадение с полем тега адреса. Ассоциативное отображение обеспечивает гибкость при выборе строки для вновь записываемого блока. Принципиальный недостаток этого способа – в необходимости использования дорогой ассоциативной памяти.

Особенностью такой организации является то, что любая строка с любой страницы может отображаться на любом свободном месте в Кэш. Поиск данных производится параллельно во всех блоках кэш. При операции записи или считывания контроллер кэш проверяет нет ли записи в кэш и фиксирует частоту обращения к каждому блоку кэш. Такая реализация требует больших аппаратных затрат. Для персональных компьютеров этот способ реализации кэш слишком дорог. Применяется при небольших размерах Кэш памяти.

Контроллер кэш-памяти выделяет в адресе ОП два поля: поле тегов и поле слова. Поле тега совпадает с адресом блока ОП. Для проверки наличия копии блока ОП в кэш-памяти логика управления контроллера кэш должна одновременно сравнить теги всех строк кэш на совпадение с полем тега адреса. Это обеспечивается использованием ассоциативной памяти для хранения тегов кэш. Ассоциативное отображение обеспечивает гибкость при выборе строки кэш-памяти для размещения блока ОП, но требует использования дорогостоящей ассоциативной памяти, поэтому применяется только для построения первичных кэш.

При полностью ассоциативном доступе адрес складывается только из тэга и смещения, что требует больших аппаратных затрат. Как и в предыдущем случае, выборка происходит, если совпадает тэг.

Достоинство – ассоциативное отображение обеспечивает гибкость при выборе строки во время записи.
Недостатки – дороговизна. Необходимость просмотра всего списка.

Рассмотрим пример:

Полностью ассоциативный Кэш емкостью (объемом) 64 Кбайт для ОП емкостью

1 Мбайт с длиной строки 32 байта.

Строка нулевая имеет адреса: от 00000 h до 0001F h

Строка первая имеет адреса: от 00020 h до 0003F h

Строка вторая имеет адреса: от 00040 h до 0005F h

- - - - - - - - - - - - - -- - - -- - - - - - - - - - - - - -- - - - - -- - - - - - - -- - -

Предпоследняя строка имеет адреса: от FFFC0 h до FFFDF h

Последняя строка имеет адреса: от FFFE0 h до FFFFF h

Решение:ОП емкостью 1 Мбайт можно адресовать с помощью 20 адресов

(1 Мбайт=1024*1024=1048576=2²⁰). А_оп =log₂ 1048576

Для адресации строки 32 Кбайт требуется 5 адресов (32 кбайта=32*1024=32768=2⁵).

Т. о. из 20-ти адресов ОП младшие пять байт отводятся под номер байта в строке (смещение), а остальные старшие под Tag –номер строки.

Например, при чтении ячейки ОП 0004А h информация всей строки с адресами (00040 h -0005F h) ОП будет помещена в любую свободную строку Кэш.

Пример выполнения задания:

Полностью ассоциативный Кэш емкостью 128 Кбайт для ОП емкостью 2 Мбайта с длиной строки 64 байт.

Емкость Кэш = 128 кбайт=128*1024=131072=2¹⁷;

Емкость строки =64 байт=2⁶;

Емкость ОП = 2 Мбайт=2*1024*1024=2097152=2²¹;

Количество разрядов адреса отводимых под строку равно 6 (64=2⁶) (log₂64)

Определить:

- сколько строк будет иметь Кэш-память?

- сколько разрядов имеет регистр адреса ОП?

- сколько бит отводится под Тег?

- при обращении к ячейке ОП с адресом 1АВAСС h какой Тег будет сопровождать эту информацию, какой байт (смещение) будет выбран из строки?

Ответы:

- количество строк Кэш: N=емкость Кэш/ емкость строки = 2¹⁷/2⁶=2¹¹=2048;

- количество разрядов адреса ОП - 21 бит;

- под тег отводится: N_{бит адреса ОП} – N_{бит адреса строки}=21-6=15 бит

- в двоичном коде адрес 1АВAСС h выглядит так: 1 1010 1011 1010 1100 1100 – это адрес ОП; шесть младших бит соответствуют номеру байта в строке = 0С₁₆=12₁₀;

Остальные 15 бит соответствуют номеру строки (Тэг) = 6АЕВ₁₆=27371₁₀.

Наборно – ассоциативный Кэш.

Наборно-ассоциативный тип отображения – это один из возможных компромиссов, сочетающий достоинства прямого и ассоциативного способов. Кэш-память (и тегов и данных) разбивается на некоторое количество наборов (set). Зависимость между наборами и блоками ОП такая же жесткая, как и при прямом отображении. А вот размещение блоков по строкам модуля произвольное и для поиска нужной строки в пределах модуля используется ассоциативный принцип. Этот способ отображения наиболее широко распространен в современных микропроцессорах.

Данный тип отображения применяется во всех современных ЭВМ и состоит в том, что вся ОП разбивается на секторы, состоящие из фиксированного числа последовательных блоков. Кэш-память также разбивается на секторы, содержащие такое же количество строк. Расположение блоков в секторе ОП и секторе кэша полностью совпадает. Отображение сектора на кэш-память осуществляется ассоциативно, т.е. любой сектор из ОП может быть помещен в любой сектор кэша. Таким образом, в процессе работы АЛУ обращается в поисках очередной команды к ОП, в результате чего, в кэш загружается(в случае отсутствия там блока, содержащего эту команду), целый сектор информации из ОП, причем по принципу локальности, за счет этого достигается значительное увеличение быстродействия системы.

Кэш с множественно-ассоциативным отображением может применяться для построения как первичных, так и вторичных кэш

 

Достоинства:

- запись быстрая;

Недостатки:

- считывание медленное (требуется перебор Кэш каталогов).