А.Н. Томилин - Вычислительные системы (2006) (1156252), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Если вам очень нужно какую-то другую операцию, вы к имеющейся аппаратуре добавляете другую аппаратуру, и тогда нужно выделитьспециальный один код, который укажет, что дальше будет нестандартная. Это уникальныйслучай для особых применений.Естественно, что машины, которые были до этого, стали называться CISC (completedinstruction set command). До этого и не подумали их так называть.
Полный набор команд —это и есть полный набор команд, где есть всё, включая и такие фокусные команды, как команда косвенной адресации. Возьмём БЭСМовский пример ради интереса:ИРКОПАдресА22А1+1Как это всё будет работать? А очень просто: берётся исполнительный адрес первой команды ( 2 + A 2 ) и берётся содержимое этого (в данном случае 15 последних разрядов), т.е.2 + A 2 . Тогда A ИСП = 2 + А 2 + 1 + А1 . Ясное дело, что здесь ещё может быть косвен-ная адресация, ещё и ещё. Надо найти ячейку, где находится адрес ячейки, где находится адрес ячейки, где находится адрес рабочего операнда.
Как это понравилось трансляторщикам… Они, во-первых, в трансляторах стали использовать, а во-вторых, из под пера трансляторов стали выходить вот такие команды. Весь конвейер команд порвётся. Он останется, нозадержки будут ужасными. Но зато всё красиво и хорошо. «Не надо делать победу науки надздравым смыслом», мы уже об этом говорили.
Конечно, это тоже надо, и всё разумно в своихрежимах.Таким образом, мы с вами закончили весь первый самый большой раздел, дальше пойдёт проще.Иерархия памятиПроцессоркэшОПМПВПИмеется кэш (может быть иерархия этих кэшей), затем иеется оперативная память (ОП),затем имеется внешняя память (ВП) — магнитные диски (МД), магнитные ленты (МЛ), магнитные катушки (МК). На уровне машин типа Cray, имеется массовая память (МП), т.е.
память на интегральных схемах такая же, как оперативная, но она более ёмкая, чем оперативная память (на порядок), и на порядок менее быстрая. И условно внешняя память на порядокбольше, чем массовая память, и на порядок менее быстрая память.Мы, конечно, рассмотрим работу кэшей (достаточно одного уровня). Собственно, мы свами уже видели полностью ассоциативный кэш (кэш команд). Останется рассмотреть намещё 2 типа: кэш с прямой адресацией (direct mapping) и частично ассоциативный кэш.
Ну ивопросы, связанные с использованием кэш при записи, чтении.По оперативной памяти будем рассматривать вопросы логической организации — разные варианты виртуальной памяти. Два понятия «виртуальность» для памяти: 1) когда местав памяти не хватает, помещается во внешнюю память, оттуда подкачивается, а вы об этомничего не знаете; 2) просто не на своём месте — ваши данные находятся в памяти, ваша вир53туальная 5-я страница находится совершенно в другой. Все эти аспекты мы должны рассмотреть.Кэш (cache)Мы решили перейти к вопросам организации памяти и рассмотрели общую иерархиюуровней памяти. Теперь осталось только рассмотреть отдельные уровни.
Начнём с кэша.Собственно, мы с ним познакомились, когда рассматривали структурную схему машиныБЭСМ-6, рассматривали буферные регистры слов (кэш команд) и рассматривали буферныерегистры записанных результатов (кэш данных). Мы также отметили, что эти кэши организованы по одному из трёх принципов организации кэш с точки зрения организации доступа ккэш, а именно как полностью ассоциативный кэш.Итак, имеется три способа организации доступа к кэшу, естественно, и помещения данных туда и получения данных из кэш, это1) полностью ассоциативный кэш;2) частично ассоциативный кэш;3) кэш с прямой адресацией (direct mapping).Вот три типа.
На счёт полностью ассоциативного кэша: имеется кэш, который разделённа некоторое количество блоков. Все блоки в кэш имеют одинаковую длину. Как правило,количество блоков равно степени 2. С каждым блоком связан регистр, на который помещается адрес того участка памяти, данные из которого переписаны в этот блок (А_ОП), и так укаждого блока. Эти блоки могут быть больше или меньше по объёму. Те 2 кеша, которые мырассматривали, там каждый блок был одна ячейка (одна полноразрядная ячейка).
И когда увас возникает адрес (из команды), он сравнивается со всеми этими указателями. Они могутпо-разному называться, могут называться тегами.Вообще говоря, любая память может быть двух типов:1) адресная память, когда у нас точно указано, какое место в памяти, куда нужно обратиться (записать или считать информацию), и2) ассоциативная память, когда вы ищете то, что вам нужно, чтобы взять или тудазаписать, задавая некоторый признак. По этому признаку вы ищете, где это находится. Естественно, если вам приходится долго вести такой поиск, то тратитсявремя.Вот, если как-то организовать так, чтобы это делать достаточно быстро, на это и направлены все усилия разработчиков аппаратуры.Вот мы сравниваем.
Если совпало, то тогда мы работаем с этим блоком кэш — записываем в него или считываем из него. Если не совпал, то тогда нам нужно взять из памяти данные. Допустим, адрес памяти (будем в восьмеричной системе счисления) — с 2008 по 2378, авам нужно ячейку 2158. А блок кэш имеет объём 408 (32 ячейки).
Вы берёте этот адрес (215),сравниваете, и ни где нет 200-ки. А должна быть именно 200-ка, потому что вы обращаетесьв середину куда-то по адресу оперативной памяти, а блок весь должен находиться где-тоздесь. Ну, или не находиться. Если находится, то всё в порядке. О стратегии записи будемговорить, считывание — естественная проблема. А что касается того, когда нет, тогда выдолжны из памяти этот блок данных переместить в какой-то из блоков кэш. Какой из блоковкэш? В середине процесса жизни машины все адреса уже заполнены, и это проблема — какой выбрать. Вообще говоря, лучше выбрать тот блок, хотя тоже не факт, который был выбран из памяти и который не менялся.
Т.е. если вы хотите в какой-то блок поместить блок с200-й ячейки по 237-ю, и если этот блок изменялся, то естественно, этот блок нужно записать в ОП прежде, чем на его место записать нужный нам участок памяти. Это, конечно, накладные расходы. А если этот блок не менялся, то есть соблазн записать в него и всё. Когерентность соблюдена (начиная с этого момента, рассматривая уровни памяти, мы с вами будем употреблять этот термин — когерентность). Но вопрос такой: да, здесь ничего не менялось, но этот блок требовался всё время. Это рассуждение приводит к тому, что может быть,мы всё-таки не будем этот блок затирать, потому что снова он понадобиться.
Тут решениямогут быть разные, и алгоритмы (всё делается аппаратно) могут быть разные.54Конечно, есть где-то бит модификации — вначале он стоит в нуле, а если он менялсято ставится этот бит в «1», что даёт основание вызывать запись в память перед затиранием.Вообще-то это относится к любой организации кэша. Просто на примере полностьюассоциативного вот это дело рассмотрели.А_ОПсчётчикактивности20082002378битмодификации200821582378408Рис. 9 Полностью ассоциативный кэшПонятно, что здесь адреса могут быть только кратные 408: 200, 240, 300, 340, 400 и т.д.Теперь рассмотрим противоположную организацию. Мы рассмотрели полостью ассоциативный кэш с точки зрения выбора блока, помещения туда данных, взятие данных оттуда.Прямая адресация:0000, 02000040,...0100,...0140,...Рис.
10 Прямая адресацияЗдесь достаточно жёстко. Допустим, что у нас та же длина блока: 408. Естественно, чтов этом случае существенно проще организовано, существенно проще поиск, но здесь могутвозникнуть ситуации, когда вы чаще будете менять.В первый блок могут попасть данные, только начиная с адреса 0000. Во второй могутпопасть данные, начиная с 0040, в третий — 0100, в четвёртый — 0140.
Следующим претендентом на помещение в первый блок является адрес 0200. Следующий 0400, 0600, 1000 и т.д.Соответственно и дальше. Т.е. вы вычисляете блок очень просто: берёте адрес (например,215), куда он может попасть? Только в первый. Если у вас возник адрес 215, то вы сразуприходите к адресу 200 (аппаратура знает длину блоков кэша). Если в сопровождающем регистре 200 — прекрасно, возьмём и запишем. А если нет 200? А вот тогда уж никакого другого выхода нет, кроме как вытолкнуть в память (если что-то менялось), либо не выталкивать в память, а просто сюда записать и только сюда. Вот такие будут автоматические действия в аппаратуре.
Т.е. поиск очень быстрый: либо попали (совпало 200-200), либо придётсясюда 200 блок перетащить. Вот такая работа с кешом прямой адресации.Частично ассоциативный кэш. Вот у нас 4 блока:550000, 02000040,...0100,...0140,...Рис. 11 Частично ассоциативный кэшЧастично ассоциативный кэш всегда делится на группы блоков. Как мы говорили, количество блоков равно степени двойки, делится на группы блоков степени тоже двойки, номеньше. Например, у вас кэш 8 блоков можно разделить на 2 группы по 4 блока, или на 4группа по 2 блока.
Мы взяли кэш из 4-х блоков, у нас тут только единственный вариант: делим на 2 группы по 2 блока. Частичная ассоциативность заключается в том, что вы методомпрямой адресации выбираете группу блоков, а уже в группе блоков используете подход полностью ассоциативной. Т.е. что это значит? Что в первый блок кроме 0000, 0200 и т.д., может быть ещё и 0040, 0240 и т.д. И то же самое может быть и во второй группе.
Когда у васвозникает адрес 215, вы это 200 сравниваете только с первыми двумя, больше они нигде немогут быть. Но может быть 200 и в первом, и во втором. Т.е. вы выбираете группу, в которойдолжно находится, и ваш адрес сравниваете со всеми в группе. Вот такая идея частичной ассоциативности (симбиозное решение). Как бы, здесь больше вероятность найти совпадения.Мы с вами говорили о бите модификации, ну и ещё можно говорить, конечно, о счётчике активности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
