Ієрархія запам'ятовуючих пристроїв(ЗП). Принцип кешування даних

Пам'ять обчислювальної машини являє собою ієрархію запам'ятовуючих пристроїв (внутрішні регістри процесора, різні типи сверхоперативної і оперативної пам'яті, диски, стрічки), що відрізняються середнім часом доступу і вартістю зберігання даних у розрахунку на один біт (рисунок 2.7). Користувачеві хотілося б мати і недорогу і швидку пам'ять. Кеш-пам'ять представляє деякий компромісне вирішення цієї проблеми.

Рис. 2.7. Ієрархія ЗП

Кеш-пам'ять - це спосіб організації спільного функціонування двох типів запам'ятовуючих пристроїв, що відрізняються часом доступу і вартістю зберігання даних, який дозволяє зменшити середній час доступу до даних за рахунок динамічного копіювання в "швидкий" ЗП найбільш часто використовуваної інформації з "повільного" ЗП.

Кеш-пам'яттю часто називають не тільки спосіб організації роботи двох типів запам'ятовуючих пристроїв, а й один із пристроїв - "швидкий" ЗП. Він коштує дорожче і, як правило, має порівняно невеликий обсяг. Важливо, що механізм кеш-пам'яті є прозорим для користувача, який не повинен повідомляти жодної інформації про інтенсивність використання даних і не повинен ніяк брати участь у переміщенні даних з ЗП одного типу в ЗП іншого типу, все це робиться автоматично системними засобами.

Вміст кеш-пам'яті уявляє собою сукупність записів про всі завантажені до неї елементи даних. Кожний запис про елемент даних включає в себе адресу, який цей елемент даних має в оперативній пам'яті, і керуючу інформацію: ознака модифікації й ознака звертання до даних за деякий останній період часу.

Рис. 2.8. Кеш-пам'ять

У системах, оснащених кеш-пам'яттю, кожен запит до оперативної пам'яті виконується у відповідності з наступним алгоритмом:

- проглядається вміст кеш-пам'яті з метою визначення, чи не знаходяться потрібні дані в кеш-пам'яті; кеш-пам'ять не адресується, тому пошук потрібних даних здійснюється по вмісту - значенню поля "адреса в оперативній пам'яті", взятому із запиту. Якщо дані виявляються в кеш-пам'яті, то вони зчитуються з неї, і результат передається в процесор. Якщо потрібних даних немає, то вони разом зі своєю адресою копіюються з оперативної пам'яті в кеш-пам'ять, і результат виконання запиту передається в процесор. При копіюванні даних може виявитися, що в кеш-пам'яті немає вільного місця, тоді вибираються дані, до яких в останній період було найменше звернень, для витіснення з кеш-пам'яті. Якщо витиснені дані були модифіковані за час знаходження в кеш-пам'яті, то вони переписуються в оперативну пам'ять. Якщо ж ці дані не були модифіковані, то їх місце в кеш-пам'яті оголошується вільним.

На практиці в кеш-пам'ять зчитується не один елемент даних, до якого відбулося звертання, а цілий блок даних, це збільшує ймовірність так званого "влучення в кеш", тобто знаходження потрібних даних у кеш-пам'яті.