Назначение шина кэш памяти

Шиной (Bus) называется вся совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК. Шины предназначены для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом. На рис. 1 дана структура шины.

Шина имеет места для подключения внешних устройств – слоты, которые в результате становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами.

Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению:

• системная шина (или шина CPU) используется микросхемами Cipset для пересылки информации к CPU и обратно (см. также рис. 1);
• шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью (см. также рис. 1);
• шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью RAM и CPU;
• шины ввода/вывода информации подразделяются на стандартные и локальные.

Локальная шина ввода/вывода – это скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между быстродействующими периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами, картами сканера и др.) и системной шиной под управлением CPU. В настоящее время в качестве локальной шины используется шина PCI. Для ускорения ввода/вывода видеоданных и повышения производительности ПК при обработке трехмерных изображений корпорацией Intel была разработана шина AGP (Accelerated Graphics Port).

Стандартная шина ввода/вывода используется для подключения к перечисленным выше шинам более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов, старых звуковых карт). До недавнего времени в качестве этой шины использовалась шина стандарта ISA. В настоящее время – шина USB.

Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализовывать важнейшие ее свойства – возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечение обмена информацией между ними. Архитектура любой шины имеет следующие компоненты:

• линии для обмена данными (шина данных);
• линии для адресации данных (шина адреса);
• линии управления данными (шина управления);
• контролер шины.

Контроллер шины осуществляет управление процессором обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы либо в виде совместимого набора микросхем – Chipset.

Шина данных обеспечивает обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью RAM. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за один такт и тем выше производительность ПК. Компьютеры с процессором 80286 имеют 16-разрядную шину данных, с CPU 80386 и 80486 – 32-разрядную, а компьютеры с CPU семейства Pentium – 64-разрядную шину данных.

Шина адреса служит для указания адреса к какому-либо устройству ПК, с которым CPU производит обмен данными. Каждый компонент ПК, каждый регистр ввода/вывода и ячейка RAM имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство ПК. По шине адреса передается идентификационный код (адрес) отправителя и (или) получателя данных.

Для ускорения обмена данными используется устройство промежуточного хранения данных – оперативная память – RAM. При этом решающую роль играет объем данных, которые могут временно храниться в ней. Объем зависит от разрядности адресной шины (числа линий) и тем самым от максимально возможного числа адресов, генерируемых процессором на адресной шине, т.е. от количества ячеек RAM, которым может быть присвоен адрес. Количество ячеек RAM не должно превышать 2 n , где n – разрядность адресной шины. В противном случае часть ячеек не будет использоваться, поскольку процессор не сможет адресоваться к ним.

В двоичной системе счисления максимально адресуемый объем памяти равен 2 n , где n – число линий шины адреса.

Процессор 8088, например, имел 20 адресных линий и мог, таким образом, адресовать память объемом 1 Мбайт (2 20 =1 048 576 байт=1024 Кбайт). В ПК с процессором 80286 разрядность адресной шины была увеличена до 24 бит, а процессоры 80486, Pentium, Pentium MMX и Pentium II имеют уже 32-разрядную шину адреса, с помощью которой можно адресовать 4 Гбайт памяти.

Шина управления передает ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приему/передаче данных, подтверждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и других, чтобы обеспечить передачу данных.

Основные характеристики шины

Разрядность шины определяется числом параллельных проводников, входящих в нее. Первая шина ISA для IBM PC была восьмиразрядной, т.е. по ней можно было одновременно передавать 8 бит. Системные шины современных ПК, например, Pentium IV – 64-разрядные.

Пропускная способность шины определяется количеством байт информации, передаваемых по шине за секунду.

При расчете пропускной способности, например шины AGP, следует учитывать режим ее работы: благодаря увеличению в два раза тактовой частоты видеопроцессора и изменению протокола передачи данных удалось повысить пропускную способность шины в два (режим 2 х ) или четыре (режим 4 х ) раза, что эквивалентно увеличению тактовой частоты шины в соответствующее число раз (до 133 и 266 МГц соответственно).

Внешние устройства к шинам подключается посредством интерфейса (Interface – сопряжение), представляющего собой совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором.

К числу таких характеристик относятся электрические и временные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности подключения. Обмен данными между компонентами ПК возможен, только если интерфейсы этих компоненты совместимы.

Стандарты шин ПК

Принцип IBM-совместимости подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов ПК, что, в свою очередь, определяет гибкость системы в целом, т.е. возможность по мере необходимости изменять конфигурацию системы и подключать различные периферийные устройства. В случае несовместимости интерфейсов используются контроллеры. Кроме того, гибкость и унификация системы достигаются за счет введения промежуточных стандартных интерфейсов, таких как интерфейсы необходимы для работы наиболее важных периферийных устройств ввода и вывода.

Читайте также: Шины кама евро 175 70 р13

Системная шина предназначена для обмена информацией между CPU, памятью и другими устройствами, входящими в систему. К системным шинам относятся:

• GTL, имеющая разрядность 64 бит, тактовую частоту 66, 100 и 133 МГц;
• EV6, спецификация которой позволяет повысить ее тактовую частоту до 377 МГц.

Шины ввода/вывода совершенствуются в соответствии с развитием периферийных устройств ПК. В табл. 2 представлены характеристики некоторых шин ввода/вывода.

Шина ISA в течение многих лет считалась стандартом ПК, однако и до сих пор сохраняется в некоторых ПК наряду с современной шиной PCI. Корпорация Intel совместно с Microsoft разработала стратегию постепенного отказа от шины ISA. В начале планируется исключить ISA-разъемы на материнской плате, а впоследствии исключить слоты ISA и подключить дисководы, мыши, клавиатуры, сканеры к шине USB, а винчестеры, приводы CD-ROM – к шине IEEE 1394. Однако наличие огромного парка ПК с шиной ISA будет востребована еще на протяжении некоторого времени.

Шина EISA стала дальнейшим развитием шины ISA в направлении повышения производительности системы и совместимости ее компонентов. Шина не получила широкого распространения в связи с ее высокой стоимостью и пропускной способностью, уступающей пропускной способности появившейся на рынке шины VESA.

Таблица 2. Характеристики шин ввода/вывода

Шина	Разрядность, бит	Тактовая частота, МГц	Пропускная способность, Мбайт/с
ISA 8-разрядная	08	8,33	0008,33
ISA 16-разрядная	16	8,33	0016,6
EISA	32	8,33	0033,3
VLB	32	33	0132,3
PCI	32	33	0132,3
PCI 2.1 64-разрядная	64	66	0528,3
AGP (1 x )	32	66	0262,6
AGP (2 x )	32	66х2	0528,3
AGP (4 x )	32	66х2	1056,6

Шина VESA, или VLB, предназначена для связи CPU с быстрыми периферийными устройствами и представляет собой расширение шины ISA для обмена видеоданными.

Шина PCI была разработана фирмой Intel для процессора Pentium и представляет собой совершено новую шину. Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов (Bridges), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими типами шин. В шине PCI реализован принцип Bus Mastering, который подразумевает способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной (без участия CPU). Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. В этом случае центральный процессор освобождается для решения других задач, пока происходит передача данных. В современных

материнских платах тактовая частота шины PCI задается как половина тактовой частоты системной шины, т.е. при тактовой частоте системной шины 66 МГц шина PCI будет работать на частоте 33 МГц. В настоящее время шина PCI стала фактическим стандартом среди шин ввода/вывода.

Шина AGP – высокоскоростная локальная шина ввода/вывода, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видеоадаптер (3D-акселератор) с системой памятью ПК. Шина AGP была разработана на основе архитектуры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной. Однако при этом у нее есть дополнительные возможности увеличения пропускной способности, в частности, за счет использования более высоких тактовых частот.

Шина USB была разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft для подключения периферийных устройств вне корпуса PC. Скорость обмена информацией по шине USB составляет 12 Мбит/с или 15 Мбайт/с. К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подключать такие периферийные устройства, как клавиатура, мышь, джойстик, принтер, не выключая питания. Все периферийные устройства должны быть оборудованы разъемами USB и подключаться к ПК через отдельный выносной блок, называемый USB-хабом, или концентратором, с помощью которого к ПК можно подключить до 127 периферийных устройств. Архитектура шины USB представлена на рис. 4.

Шина SCSI (Small Computer System Interface) обеспечивает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает подключение к одному адаптеру до восьми устройств: винчестеры, приводы CD-ROM, сканеры, фото- и видеокамеры. Отличительной особенностью шины SCSI является то, что она представляет собой кабельный шлейф. С шинами PC (ISA или PCI) шина SCSI связана через хост-адаптер (Host Adapter). Каждое устройство, подключенное к шине SCSI, может инициировать обмен с другими устройством.

Шина IEEE 1394 – это стандарт высокоскоростной локальной последовательной шины, разработанный фирмами Apple и Texas Instruments. Шина IEEE 1394 предназначена для обмена цифровой информацией между

ПК и другими электронными устройствами, особенно для подключения жестких дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации, а также работы мультимедийных приложений. Она способна передавать данные со скоростью до 1600 Мбайт/с, работать одновременно с несколькими устройствами, передающими данные с разными скоростями, как и SCSI.

Подключить к компьютеру через интерфейс IEEE 1394 можно практически любые устройств, способные работать с SCSI. К ним относятся все виды накопителей на дисках, включая жесткие, оптические, CD-ROM, DVD, цифровые видеокамеры, устройства. Благодаря таким широким возможностям, эта шина стала наиболее перспективной для объединения компьютера с бытовой электроникой. В настоящее время уже выпускаются адаптеры IEEE 1394 для шины PCI.

Читайте также: Утилизация шин в тюмени для юридических лиц

Организация и принципы работы кэш-памяти

Общие принципы функционирования кэш-памяти

Кэш-память (КП), или кэш, представляет собой организованную в виде ассоциативного запоминающего устройства (АЗУ) быстродействующую буферную память ограниченного объема, которая располагается между регистрами процессора и относительно медленной основной памятью и хранит наиболее часто используемую информацию совместно с ее признаками (тегами), в качестве которых выступает часть адресного кода.

В процессе работы отдельные блоки информации копируются из основной памяти в кэш — память . При обращении процессора за командой или данными сначала проверяется их наличие в КП. Если необходимая информация находится в кэше, она быстро извлекается. Это кэш-попадание. Если необходимая информация в КП отсутствует ( кэш-промах ), то она выбирается из основной памяти, передается в микропроцессор и одновременно заносится в кэш — память . Повышение быстродействия вычислительной системы достигается в том случае, когда кэш-попадания реализуются намного чаще, чем кэш-промахи.

Зададимся вопросом: «А как определить наиболее часто используемую информацию? Неужели сначала кто-то анализирует ход выполнения программы, определяет, какие команды и данные чаще используются, а потом, при следующем запуске программы, эти данные переписываются в кэш — память и уже тогда программа выполняется эффективно?» Конечно нет. Хотя в современных микропроцессорах имеется определенный механизм, который позволяет в некоторой степени реализовать этот принцип. Но в основном, конечно, кэш — память сама отбирает информацию, которая чаще всего используется. Рассмотрим, как это происходит.

Механизм сохранения информации в кэш-памяти

При включении микропроцессора в работу вся информация в его кэш-памяти недостоверна.

При обращении к памяти микропроцессор, как уже отмечалось, сначала проверяет, не содержится ли искомая информация в кэш-памяти.

Для этого сформированный им физический адрес сравнивается с адресами ячеек памяти, которые были ранее кэшированы из ОЗУ в КП.

При первом обращении такой информации в кэш -памяти, естественно, нет, и это соответствует кэш-промаху. Тогда микропроцессор проводит обращение к оперативной памяти, извлекает нужную информацию, использует ее в своей работе, но одновременно записывает эту информацию в кэш .

Если бы в кэш — память заносилась только востребованная микропроцессором в данный момент информация , то, скорее всего, при следующем обращении вновь произошел бы кэш-промах: вряд ли следующее обращение произойдет к той же самой команде или к тому же самому операнду. Кэш-попадания происходили бы лишь после того, как в КП накопится достаточно большой фрагмент программы, содержащий некоторые циклические участки кода, или фрагмент данных, подлежащих повторной обработке. Для того чтобы уже следующее обращение к КП приводило как можно чаще к кэш-попаданиям, передача из оперативной памяти в кэш — память происходит не теми порциями (байтами или словами), которые востребованы микропроцессором в данном обращении, а так называемыми строками. То есть кэш — память и оперативная память с точки зрения кэширования организуются в виде строк. Длина строки превышает максимально возможную длину востребованных микропроцессором данных. Обычно она составляет от 16 до 64 байт и выровнена в памяти по границе соответствующего раздела (рис. 4.1).

Высокий процент кэш-попаданий в этом случае обеспечивается благодаря тому, что в большинстве случаев программы обращаются к ячейкам памяти, расположенным вблизи от ранее использованных. Это свойство, называемое принципом локальности ссылок, обеспечивает эффективность использования КП. Оно подразумевает, что при исполнении программы в течение некоторого относительно малого интервала времени происходит обращение к памяти в пределах ограниченного диапазона адресов (как по коду программы, так и по данным).

Например, микропроцессору для своей работы потребовалось 2 байта информации. Если строка имеет длину 16 байт , то в кэш переписываются не только нужные 2 байта, но и некоторое их окружение. Когда микропроцессор обращается за новой информацией, в силу локальности ссылок, скорее всего, обращение произойдет по соседнему адресу. Затем опять по соседнему, опять по соседнему и т. д. Таким образом, ряд следующих обращений будет происходить непосредственно к кэш -памяти, минуя оперативную память (кэш-попадания). Когда очередной сформированный микропроцессором физический адрес выйдет за пределы строки кэш -памяти (произойдет кэш-промах ), будет выполнена подкачка в кэш новой строки, и вновь ряд последующих обращений вызовет кэш-попадания.

Чем длиннее используемая при обмене между оперативной и кэшпамятью строка, тем больше вероятность того, что следующее обращение произойдет в пределах этой строки. Но в то же время чем длиннее строка, тем дольше она будет перекачиваться из оперативной памяти в кэш . И если очередная команда окажется командой перехода или выборка данных начнется из нового массива, то есть следующее обращение произойдет не по соседнему адресу, то время, затраченное на передачу длинной строки, будет использовано напрасно. Поэтому при выборе длины строки должен быть разумный компромисс между соотношением времени обращения к оперативной и кэш -памяти и вероятностью достаточно удаленного перехода от текущего адреса при выполнении программы. Обычно длина строки определяется в результате моделирования аппаратно-программной структуры системы .

После того как в КП накопится достаточно большой объем информации, увеличивается вероятность того, что формирование очередного адреса приведет к кэш-попаданию. Особенно велика вероятность этого при выполнении циклических участков программы.

Читайте также: Штатный размер шин ниссан кашкай

Старая информация по возможности сохраняется в кэш -памяти. Ее замена на новую определяется емкостью, организацией и стратегией обновления кэша.

Типы кэш-памяти

Если каждая строка ОЗУ имеет только одно фиксированное место , на котором она может находиться в кэш -памяти, то такая кэш — память называется памятью с прямым отображением.

Предположим, что ОЗУ состоит из 1000 строк с номерами от 0 до 999, а кэш — память имеет емкость только 100 строк. В кэш -памяти с прямым отображением строки ОЗУ с номерами 0, 100, 200, . 900 могут сохраняться только в строке 0 КП и нигде иначе, строки 1, 101, 201, …, 901

ОЗУ — в строке 1 КП, строки ОЗУ с номерами 99, 199, …, 999 сохраняются в строке 99 кэш -памяти (рис. 4.2). Такая организация кэш -памяти обеспечивает быстрый поиск в ней нужной информации: необходимо проверить ее наличие только в одном месте. Однако емкость КП при этом используется не в полной мере: несмотря на то, что часть кэш -памяти может быть не заполнена, будет происходить вытеснение из нее полезной информации при последовательных обращениях, например, к строкам 101, 301, 101 ОЗУ .

Кэш — память называется полностью ассоциативной, если каждая строка ОЗУ может располагаться в любом месте кэш -памяти.

В полностью ассоциативной кэш -памяти максимально используется весь ее объем: вытеснение сохраненной в КП информации проводится лишь после ее полного заполнения. Однако поиск в кэш -памяти, организованной подобным образом, представляет собой трудную задачу.

Компромиссом между этими двумя способами организации кэш -памяти служит множественно-ассоциативная КП, в которой каждая строка ОЗУ может находиться по ограниченному множеству мест в кэш -памяти.

При необходимости замещения информации в кэш -памяти на новую используется несколько стратегий замещения. Наиболее известными среди них являются:

1. LRU — замещается строка, к которой дольше всего не было обращений;
2. FIFO — замещается самая давняя по пребыванию в кэш-памяти строка;
3. Random — замещение проходит случайным образом.

Последний вариант, существенно экономя аппаратные средства по сравнению с другими подходами, в ряде случаев обеспечивает и более эффективное использование кэш -памяти. Предположим, например, что КП имеет объем 4 строки, а некоторый циклический участок программы имеет длину 5 строк. В этом случае при стратегиях LRU и FIFO кэш — память окажется фактически бесполезной ввиду отсутствия кэш -попаданий. В то же время при использовании стратегии случайного замещения информации часть обращений к КП приведет к кэш -попаданиям.

Некоторые эвристические оценки вероятности кэш -промаха при разных стратегиях замещения (в процентах) представлены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Вероятность кэш-промаха для различной кэш-памяти

Анализ таблицы показывает, что:

• увеличением емкости кэша, естественно, уменьшается вероятность кэш-промаха, но даже при незначительной на сегодняшний день емкости кэш-памяти в 16 Кбайт около 95 % обращений происходят к КП, минуя оперативную память;
• чем больше степень ассоциативности кэш-памяти, тем больше вероятность кэш-попадания за счет более полного заполнения КП (время поиска информации в КП в данном анализе не учитывается);
• механизм LRU обеспечивает более высокую вероятность кэш-попадания по сравнению с механизмом случайного замещения Random , однако этот выигрыш не очень значителен.

Соответствие между данными в оперативной памяти и в кэш -памяти обеспечивается внесением изменений в те области ОЗУ , для которых данные в кэш -памяти подверглись изменениям. Существует два основных способа реализации этих действий: со сквозной записью ( writethrough ) и с обратной записью ( write-back ).

При считывании оба способа работают идентично. При записи кэширование со сквозной записью обновляет основную память параллельно с обновлением информации в КП. Это несколько снижает быстродействие системы, так как микропроцессор впоследствии может вновь обратиться по этому же адресу для записи информации, и предыдущая пересылка строки кэш -памяти в ОЗУ окажется бесполезной. Однако при таком подходе содержимое соответствующих друг другу строк ОЗУ и КП всегда идентично. Это играет большую роль в мультипроцессорных системах с общей оперативной памятью.

Кэширование с обратной записью модифицирует строку ОЗУ лишь при вытеснении строки кэш -памяти, например, в случае необходимости освобождения места для записи новой строки из ОЗУ в уже заполненную КП. Операции обратной записи также инициируются механизмом поддержания согласованности кэш -памяти при работе мультипроцессорной системы с общей оперативной памятью.

Промежуточное положение между этими подходами занимает способ, при котором все строки, предназначенные для передачи из КП в ОЗУ , предварительно накапливаются в некотором буфере. Передача осуществляется либо при вытеснении строки, как в случае кэширования с обратной записью, либо при необходимости согласования кэш -памяти нескольких микропроцессоров в мультипроцессорной системе, либо при заполнении буфера. Такая передача проводится в пакетном режиме, что более эффективно, чем передача отдельной строки.

• Свежие записи
  • Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
  • Скрипят амортизаторы на машине что делать
  • Из чего состоит стойка амортизатора передняя
  • Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
  • Для чего нужны амортизаторы в автомобиле

  
  

  источники:

  Видео:Увеличение кеша L3 в два раза. Тесты производительностиСкачать

  

  https://fasad-adelante.ru/naznachenie-shina-kesh-pamyati

  📸 Видео

  03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать

  

  Разгон кольцевой шины и кэша L3 процессораСкачать

  

  КАК работает ПРОЦЕССОР? ОБЪЯСНЯЕМСкачать

  

  Кэшированная память Windows 10 что это и как очиститьСкачать

  

  Системная шина процессораСкачать

  

  Кэш-памятьСкачать

  

  ДЛЯ ЧЕГО НУЖЕН КЭШ ПРОЦЕССОРАСкачать

  

  Шина компьютера, оперативная память, процессор и мостыСкачать

  

  Архитектура ЭВМ Лекция 9: Иерархия хранения данных. Организация кэш памяти.Скачать

  

  АПС Л14. ШиныСкачать

  

  Кэш-памятьСкачать

  

  Принцип работы процессора на уровне ядраСкачать

  

  Что такое кэш память процессора\на что она влияет?!Скачать

  

  Как работает процессор, просто о сложном ✌Скачать