Компьютер хотирасининг унумдорлигини ошириш усуллари



Компьютер хотирасининг унумдорлигини ошириш усуллари

2] Kompyuter xotirasi har doim "muammolardan" biri bo'lib kelgan, shuning uchun uning ish faoliyatini oshirish muammolari hech qachon kompyuter arxitekturasi va tizim dasturlarini ishlab chiquvchilarning e'tiboridan chetda qolmadi. Aslida, ushbu maqsadga erishish uchun umumiy yechim bu turli darajalarda bir oz boshqacha boshqaruv mexanizmlari qo'llaniladigan xotira tizimining ko'p bosqichli tashkil etilishidir.

Bundan tashqari, turli xil hisoblash tizimlarida va xotiradan ma'lumotlarni uzatish yo'llarini yaratish uchun protsessor (lar) va boshqa qurilmalar bilan o'ziga xos tarzda bog'lanadi.

Operatsion tizimlar bir xil maqsadga erishish uchun turli xil algoritmik fokuslardan ham foydalanadilar, garchi bu faqat xotira tizimining sekinroq darajalarida mumkin bo'lsa ham.

Keshdan foydalanish

3] Kesh-xotira xotira ierarxiyasining yuqori darajalarida joylashgan bo'lib, protsessor va operativ xotira o'rtasida bufer turini o'ynaydi, operativ xotiraga murojaatning tezlashishini ta'minlaydi.

4] Avval aytib o'tilganidek, kesh bir necha darajaga ega bo'lishi mumkin: L1 yoki ichki, L2, ilgari tashqi deb nomlangan, ammo keyinchalik u ham protsessorga ko'chib o'tgan. Katta tizimlarda, shuningdek, uchinchi darajali kesh mavjud.

5] Ro'yxatda keltirilgan qurilmalarning yuqori ish tezligi tufayli kesh xotirasini boshqarish bilan bog'liq bir qator vazifalarni hal qilish kerak

- xotira tizimining ikki darajali bo’limida (L1 kesh - L2 kesh yoki L2 kesh - tasodifiy murojaat xotirasi) kerakli ma'lumotlarning joylashishini tezda aniqlash bilan;

- agar unga yangi ma'lumotlar kiritish zarurati tug'ilsa va unda bo'sh joy bo'lmasa, yuqori sathdan olib tashlanishi mumkin bo'lgan ma'lumotlarni tanlash;

- turli xil xotirada joylashgan bir xil ma'lumot nusxalari o'rtasida yozishmalarni olib borish.

Muayyan arxitektura va kompyuter modeliga qarab, yuqoridagi vazifalarni turli yo'llar bilan hal qilish mumkin. Biroq, ularni hal qilishning umumiy tamoyillari, umuman olganda, o'xshashdir.

6] Kesh xotirasi har qanday lahzada pastki darajadagi xotira qurilmasida joylashgan ma'lumotlarning faqat bir qismini saqlaganligi sababli (aniqlik uchun, bu tasodifiy murojaat xotirasi bo'lsin), keyin ushbu xotira qurilmasiga (protsessor yoki boshqa tugunlardan) murojaatda so'ralgan ma'lumot nusxasi keshda mavjud yoki yo'qligini aniqlab olish kerak.. 7] Agar u mavjud bo'lsa, murojaatga kesh xotira tomonidan tezda xizmat ko'rsatilishi mumkin, aks holda ma'lumotni tezkor xotiradan olish kerak bo'ladi (yoki unga yuklanadi), bu kattaroq buyurtma vaqtini oladi.

8] Talab qilingan ma'lumotning kesh xotirada bor yoki yo'qligini aniqlash kerak, unga murojaat xizmatini taqdim etish kerak. Ushbu operatsiya vaqti murojaat paytida to'g'ridan-to'g'ri yuklanganligi va kesh xotirasiga murojaatning haqiqiy vaqtidan sezilarli darajada kam bo'lishi aniq. 9] Albatta, bunday qidirishni amalga oshirish mantig'i nuqtai nazaridan, assotsiativ murojaatga ega xotira bu maqsad uchun juda mos keladi. Biroq, bunday xotira kesh xotirasi sifatida foydalanish uchun yetarlicha qimmat. Shuning uchun, kesh xotirada ma'lumotlarning joylashishiga nisbatan maxsus cheklovlarga murojaat qilish kerak yoki ushbu texnikani assotsiativ murojaat bilan birlashtirish kerak, bu esa uni tashkil qilish uchun biroz boshqacha sxemalarni beradi.

To'g'ridan-to'g'ri xaritalash keshi

10] To'g'ridan-to'g'ri xaritalash keshi apparat xarajatlari nuqtai nazaridan eng sodda bo'lib, hozirgi vaqtda kesh xotirasida operativ xotiraga keyingi murojaat uchun so'ralgan ma'lumot mavjudligini tez aniqlash masalasi asosiydir. Bunga operativ xotiraning fizik manzillarini kesh xotirasining manzillariga mahkam bog'lab qo'yish orqali erishiladi.

11] Kesh xotirasining bunday tashkil etilishi bilan barcha keshlangan RAM (odatda 64 MB) shartli ravishda teng sahifalarga bo'linadi, ularning o'lchami kesh xotira hajmiga teng. Kesh o'z navbatida dinamik xotiraga murojaatning bitta standart paketli tsikliga mos keladigan 32 bayt satrlarga bo'linadi (8 baytli 4ta uzatish). Operativ xotira sahifalari shartli ravishda bir xil satrlarga bo'lingan. Aynan shu satrlar kesh xotirasi va OX o'rtasida ma'lumot almashadi, chunki qo'shni xotira so'zlarini ishlatish ehtimoli yetarlicha yuqori. 12]

Keshlangan xotira manzillarini yuqorida aytib o'tilgan kesh xotirasi manzillari bilan bog'lash shundaki, keshlangan xotiraning har qanday sahifasidan satr kesh xotirasining har bir satriga yuklanishi mumkin, faqat sahifaning boshiga nisbatan sahifada bir xil pozitsiyaga ega bo'lgan satr, kesh satri kabi, uning boshlanishiga nisbatan bir xil bo’lishi kerak. Boshqacha aytganda, RAM sahifasidagi satr raqami u yerda saqlanishi uchun kesh satri indeksiga mos kelishi kerak.

13] Bunday holda, keshlangan satr kesh xotirasiga yuklanganda, kesh satriga tegishli bo'lgan RAM sahifasining raqami teg xotirasiga yoziladi, ularning har bir katakchasi kesh xotirasining bir qatoriga to'g'ri keladi.

14] Bunday tashkil qilish juda tez, hech qanday qidiruv sxemalaridan foydalanmasdan, kesh xotirasida murojaat kerak bo'lgan asosiy xotiraning manzilini o'z ichiga olgan satr mavjudligini aniqlashga imkon beradi. 15] Buni amalga oshirish uchun manzilning eng muhim qismlarini taqqoslash kerak, ya'ni. uning sahifasi yoki yorlig'i, 17-dan 5-bitgacha aniqlangan ushbu manzil mos keladigan kesh satri bilan. 16] Shuning uchun, har bir qo'ng'iroq boshida, xotira boshqaruvchisi berilgan manzildagi yorliq xotirasidan tegishli tegni o'qiydi. Agar sahifa raqami va yorliqlar bir-biriga mos keladigan bo'lsa, unda kerakli ma'lumotlar kesh xotirasida, aks holda - RAMda deb hisoblanadi.17]

18] Biroq, RAM nafaqat protsessor tomonidan ishlatiladi, protsessorni chetlab o'tib, unga murojaat mexanizmlari mavjud. Shuning uchun, kesh xotirasida saqlangan ma'lumotlar boshqa qurilma tomonidan yoziladigan RAM maydonini keshlashi mumkin. Bunday holda, kesh xotirasida va OX dagi ma'lumotlar o'rtasidagi yozishmalar buziladi.

Bunday vaziyatlarni hal qilish uchun V (yaroqlilik) bayrog'i taqdim etiladi, u satr kesh xotirasiga yozilganda o'rnatiladi va agar asosiy xotiradagi nusxasi keshda joylashgan ma'lumotlar yangilangan bo'lsa, nolga tenglanadi. Shuning uchun, so'ralgan ma'lumotlarning kesh xotirasida bor yoki yo'qligini aniqlashda, OX- sahifa raqami bilan nafaqat satr yorlig'i taqqoslanadi, balki V-bayroq qiymati bilan ham tekshiriladi.

To'g'ridan-to'g'ri xaritalangan keshning afzalliklari shundaki, u so'ralgan ma'lumotlarni o'z ichiga oladimi yoki yo'qligini tezda aniqlay oladi. Bundan tashqari, kesh xotirasini boshqarishning yuqorida aytib o'tilgan muammolarini hal qilish kerak emas: OX dan yangi satrni kiritish kerak bo'lganda o'chirishga nomzod bo'lgan satrni aniqlash kerak, chunki keshdagi satrlar joylari OX-ning manzillari bilan qattiq bog'langan.

Ammo bu soddalik uning kamchiliklaridan xoli emas. Asosiysi kesh xotirasidan foydalanish samaradorligining pastligi, chunki unda turli xil sahifalarning bir xil nomdagi satrlarini joylashtirish imkoni yo'q. Shuning uchun, agar dastur turli xil xotira sahifalarida teng ravishda joylashgan bir nechta segmentlar bilan ishlayotgan bo'lsa, kesh hatto RAM va kesh o'rtasida jadal qo'shimcha almashinuvga olib keladigan "tormoz" ga aylanishi mumkin.

Agar kerakli ma'lumotlar kesh xotirasida bo'lsa, protsessor ushbu ma'lumotni to'g'ridan-to'g'ri keshdan o'qiyotganda oladi yoki uni yozayotganda uni keshga yozadi.

O'qishga murojaatni kesh xotirasida ham, asosiy xotirada ham darhol boshlash mumkin. Keyinchalik, kesh xotirasida hech qanday ma'lumot bo'lmasa, buni aniqlangunga qadar, operatsion xotiraga murojaat tsiklining bir qismi allaqachon tugagan, bu esa ish faoliyatini yaxshilashi mumkin. Agar ma'lumot keshda bo'lsa, u holda RAMga murojaat to'xtatilishi mumkin. Albatta, bu erda ham ijobiy va salbiy tomonlar mavjud.

Yozish orqali murojaatda ikkita imkoniyatdan foydalanish mumkin (ikkita yozish siyosati): yozish faqat keshga va undagi ma'lumot joylashgan joyda operativ xotira uchun amalga oshiriladi. Ikkinchisi sodda, ammo sekinroq, garchi u kesh xotirasida va operativ xotirada bir xil ma'lumotlarning nusxalari har doim bir xil bo'lishini ta'minlasa ham. Intelning dastlabki protsessorlari ushbu algoritmdan foydalanishgan.

Qayta yozish algoritmi tezroq, chunki u har bir yozish uchun RAM-ga murojaatni talab qilmaydi. Operativ xotiraga ma'lumot faqat ushbu kesh satrining o'rniga OX ning boshqa sahifasidan satr yuklanganda yoki kesh tarkibini yangilash buyrug'i bajarilganda yoziladi. Shu sababli, ushbu algoritm yanada "nozik" va aniqroq boshqaruvni talab qiladi, chunki turli vaqtda bir xil ma'lumotlarning nusxalari kesh va operativ xotirada turlicha bo'ladi.

Bundan tashqari, qayta yozishni amalga oshirish uchun qo'shimcha vositalarga ega bo'lish maqsadga muvofiqdir: keshda u doimo RAM-dan yuklangan har qanday satr o'zgarmagam bo’ladi. Agar satrda o'zgarishlar bo'lmasa, uni tezkor xotiraga qayta yozishning hojati yo'q. Bunday yozuvlarga vaqtni tejash uchun, kesh xotirasida bo'lgan paytda qatorga o'zgartirishlar qilingan-qilinmaganligini aniqlash imkoniga ega bo'lish kerak. Buning uchun teglar xotirasida M (o'zgartirilgan) bayrog'i ishlatiladi, u satr keshga birinchi yuklanganda "0" ga o'rnatiladi va unga ma'lumot yozilganda "1" ga tenglanadi. Keyin, keshdan satrni tushirganda, OX ga yozish faqat M bayrog'ining bitta qiymati bilan amalga oshiriladi.

Assotsiativ kesh

19] Assotsiativ murojaat to'g'ridan-to'g'ri xaritada joylashgan kesh bo'shligidan samarasiz foydalanishni bartaraf etishga yordam beradi. Biroq, bunday murojaatga ega bo'lgan xotira qimmatroq bo'lishiga qo'shimcha ravishda, yuqorida ko'rib chiqilgan to'g'ridan-to'g'ri yozish sxemasiga qaraganda, kerakli ma'lumotlarni qidirishning past tezligini (aniqrog'i, uning mavjudligi yoki yo'qligini aniqlash) ta'minlaydi.

Shuning uchun to'liq assotsiativ kesh kamdan-kam hollarda qo'llaniladi va shunda ham L1 darajasida. Odatdagidek, ko'proq maqbul texnik yechim to'g'ridan-to'g'ri akslanish va assotsiativ qidirishning kombinatsiyasi hisoblanadi. Ikkita tomonlama versiyasi Shakl-Assotsiatsiyaviy keshni qanday tashkil etish ma’qul 20]

21] Ko'rinib turibdiki, ushbu kesh aslida to'g'ridan-to'g'ri xaritada ko'rsatilgan ikkita keshdir. Har bir kesh bitta teglangan xotira birligi bilan bog'langan va to'g'ridan-to'g'ri xaritadagi kesh sxemasida ishlaydi. Shu bilan birga, ikkita bankning mavjudligi ikkita turli xil keshlangan xotira sahifalarining chegaralariga teng ravishda joylashtirilgan ikki kanalli assosiativ kesh xotirasida bir vaqtning o'zida ikkita satrni joylashtirishga imkon beradi.

22] Xotiraga murojaatda keshda kerakli satrni qidirish to'g'ridan-to'g'ri xaritani keshlash bilan bir xil tarzda amalga oshiriladi, faqat ushbu qidirish bir vaqtning o'zida ikkita bank uchun amalga oshiriladi (aniqrog'i, yorliqlarning ikkita blokida). Aslida, bularning barchasi ushbu turdagi xotira nomiga "assotsiativ" atamasi bilan bog'liq bo'lishi mumkin. Ammo bu farq keshda kerakli ma'lumotlarni topish va umuman xotiraning ishlashini sezilarli darajada oshirish uchun yetarli bo'ladi.

Tasvirda yana bir blok mavjud - "murojaat bayroqlari", bu to'g'ridan-to'g'ri xaritada keshda bo'lmagan. Ushbu blok kesh xotirasini boshqarishning ikkinchi vazifalarini hal qilish uchun ishlatiladi: keshni kiritish uchun yangi satr kerak bo'lsa va unda bo'sh joy bo'lmasa, o'chirilishi kerak bo'lgan satrni aniqlash. To'g'ridan-to'g'ri xaritalash keshida bunday muammoni hal qilishning hojati yo'q, chunki har qanday satrni joylashtirish joyi aniq va yangi star yuklanganda, ushbu joyda ilgari joylashgan ma'lumotlar o'chiriladi.

Ko'rib chiqilgan sxemada vaziyat biroz boshqacha: bu erda siz banklardan birida yangi qatorni kiritishingiz mumkin, ammo qaysi birida? Ushbu muammoni hal qilish uchun almashtirish algoritmlari deb nomlangan maxsus qoidalar qo'llaniladi. Ushbu qoidalar tezroq, ammo sig'imi kam bo'lgan xotiradan tezroq, ammo sig'imi kam bo'lgan yangi ma'lumotlarni kiritish zarurati bo'lgan barcha hollarda qo'llaniladi.

23] Kesh va operativ xotirada bir xil ma'lumotlarning nusxalari o'rtasidagi muvofiqlikni (yaxlitlik, uyg'unlik) saqlash muammosini hal qilish keshni tashkil etishga bog'liq emas. Ushbu almashinuv biron bir kompyuter bloki yoki keshga alohida yozilgan hollarda buzilishi mumkin..

24] Faqat protsessor keshga yozishi mumkin (keshga satr yuklash protsedurasidan tashqari). Shuning uchun, kesh va OX dagi ma'lumotlar o'rtasidagi vaqtincha nomuvofiqlik faqat qayta yozish siyosatidan foydalanish paytida yuz berishi mumkin. Biroq, bu holda, nazorat qiluvchi ma'lumotlarning yaxlitligini ta'minlashni nazorat qiladi.

25] Faqat RAMga yozish boshqa qurilma tomonidan amalga oshirilishi mumkin (masalan, PCI shinasi orqali) va agar ushbu yozuv operativ xotiraning o'sha qismiga yozil bo'lsa, ma'lumot nusxasi kesh xotirasida mavjud bo'lsa, u holda bu nusxa yaroqsiz deb belgilanishi kerak.