Номер виртуальной страницы (20 разрядов) – делится на номер раздела и номер страницы в разделе. Ну и дальше все преобразуется как описано в страничном механизме.
Трансляция адреса. Буфер ассоциативной трансляции (TLB).
Для ускорения преобразования адресов в блоке управления страницами используется ассоциативная память, где кэшируется 32 дескриптора активно используемых страниц. Это позволяет по номеру витруальной страницы быстро извлекать номер физической страницы без обращения к таблицам разделов и страниц.
Буфер ассоциативной трансляции (англ. Translation lookaside buffer, TLB) — это специализированный кэш центрального процессора, используемый для ускорения трансляции адреса виртуальной памяти в адрес физической памяти. TLB используется всеми современными процессорами с поддержкой страничной организации памяти. TLB содержит фиксированный набор записей (от 8 до 4096) и является ассоциативной памятью. Каждая запись содержит соответствие адреса страницы виртуальной памяти адресу физической памяти. Если адрес отсутствует в TLB, процессор обходит таблицы страниц и сохраняет полученный адрес в TLB, что занимает в 10—60 раз больше времени, чем получение адреса из записи, уже закешированной TLB. Вероятность промаха TLB невысока и составляет в среднем от 0,01 % до 1 %.
В современных процессорах может быть реализовано несколько уровней TLB с разной скоростью работы и размером. Самый верхний уровень TLB будет содержать небольшое количество записей, но будет работать с очень высокой скоростью, вплоть до нескольких тактов. Последующие уровни становятся медленнее, но, вместе с тем и больше.
Иногда верхний уровень TLB разделяется на 2 буфера, один для страниц, содержащих исполняемый код, и другой — для обрабатываемых данных.

22. 
    Иерархия запоминающих устройств и кэширование данных. Принципы работы кэш - памяти. Детерминированный и случайный способы отображения основной памяти на кэш. Проблема согласования данных. Схемы выполнения запросов в схемах с двухуровневой кэш памятью.
    

Иерархия запоминающих устройств:
Память часто называют «узким местом» фон-Неймановских  ВМ из-за ее серьезного отставания по быстродействию от процессоров, причем, разрыв этот неуклонно увеличивается.

---

Так, если производительность процессоров возрастает вдвое примерно каждые 1,5 года, то для микросхем памяти прирост быстродействия не превышает 9% в год (удвоение за 10 лет), что выражается в увеличении разрыва в быстродействии между процессором и памятью приблизительна на 50% в год.
При создании системы памяти постоянно приходится решать задачу обеспечения требуемой емкости и высокого быстродействия за приемлемую цену. Наиболее эффективным решением является создание иерархической памяти. Иерархическая память состоит из ЗУ различных типов (см. рисунок ниже), которые, в зависимости от характеристик, относят к определенному уровню иерархии.

Более высокий уровень меньше по емкости, быстрее и имеет большую стоимость в пересчете на бит, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне, и все данные на этом более низком уровне могут быть найдены на следующем нижележащем уровне и т. д.
Фундамент пирамиды – внешняя память (жесткий и гибкий магнитный диск, магнитные ленты, оптические диски, флэшки):

6. 
   Объем – десятки и сотни гигабайт
   
7. 
   Время доступа – десятки миллисекунд
   

Оперативная память:

8. 
   Объем – гигабайты
   
9. 
   Время доступа – 10-20 наносекунд
   
10. 
    Реализуется на относительно медленной динамической памяти DRAM
    

Быстродействующая память (ее же называют Кэш??)

11. 
    На основе статической памяти SRAM
    
12. 
    Объем – десятки-сотни килобайт
    
13. 
    Время доступа – до 8 наносек
    

Регистры процессора

14. 
    Объем – десятки байт
    
15. 
    Время доступа – 2-3 наносекунды (определяется быстродействием процессора)
    

Кэширование данных

Чем быстрее память, тем она дороже. Но нам хотелось бы быструю и недорогую память. Для этого есть компромиссное решение – кэширование.
Кэширование – это способ совместного функционирования двух типов запоминающих устройств, отличающихся временем доступа и стоимостью хранения данных. При кэшировании за счет копирования наиболее часто использующихся фрагментов информации из медленного ЗУ в быстрое достигается уменьшение времени доступа к данным, но при этом экономится быстродействующая память.
При этом КЭШем называют не только способ организации памяти, но и само быстрое ЗУ, куда производится копирование информации. Более медленное ЗУ называют основной памятью.

---

Кэширование – универсальный метод, пригодный для ускорения доступа к:

- оперативной памяти – роль КЭШа выполняет быстрая память

- к данным, хранящимся на диске – роль КЭШа выполняют буферы в оперативной памяти

- к другим видам ЗУ.
Виртуальная память по сути – тоже разновидность кэширования, где оперативная память выступает в роли КЭШа по отношению к диску. Правда здесь цель – не ускорение доступа, а увеличение объема и подмена оперативной памяти.
Принципы работы кэш - памяти.

Рассмотрим одну из возможных схем работы кэш-памяти для понимания принципов ее работы:

В кэш памяти содержатся ЗАПИСИ обо всех загруженных в нее элементах.

Каждая запись включает:

16. 
    Данные
    
17. 
    Адрес этих данных в основной памяти
    
18. 
    Дополнительная инфа (признак модификации, признак действительности данных)
    

Процесс обращается к основной памяти:

19. 
    ОС просматривает содержимое КЭШа, нет ли нужных данных там.
    
20. 
    КЭШ-память не адресуема, поиск идет по адресу данных в оперативной памяти
    

1. 
   Если данные есть – кэш попадание, данные считываются из КЭШа и передаются запросившему.
   
2. 
   Если данных нет – кэш-промах, ОС идет в основную память и добывает данные оттуда.
   

При оценке эффективности кэш-памяти обычно используют следующие характеристики:

•   коэффициент попаданий (hit rate) — отношение числа обращений к памяти, при которых произошло попадание, к общему числу обращений к ЗУ данного уровня иерархии;

•  коэффициент промахов (miss rate) — отношение числа обращений к памяти, при

которых имел место промах; к общему числу обращений к ЗУ данного уровня иерархии;

•  время обращения при попадании (hit time) — время, необходимое для поиска

нужной информации в памяти верхнего уровня (включая выяснение, является ли обращение попаданием), плюс время на фактическое считывание данных;

•   потери на промах (miss penalty) — время, требуемое для замены блока в памяти более высокого уровня на блок с нужными данными, расположенный в ЗУ следующего (более низкого) уровня. Потери на промах включают в себя: 

1. 
   время доступа (access time) — время обращения к первому слову блока при промахе
   
2. 
   время пересылки (transfer time) — дополнительное время для пересылки оставшихся слов блока.
   

Время доступа обусловлено задержкой памяти более низкого уровня, в то время как время пересылки связано с полосой пропускания канала между ЗУ двух смежных уровней.

---

От чего зависит эффективность кэширования? От вероятности попаданий в кэш.

Использование кэш-памяти имеет смысл только при высокой вероятности кэш-попаданий, т.к. иначе это только дополнительные расходы времени на поиск в КЭШе.
Вероятность кэш-попаданий зависит от:

- объема КЭШа

- объема кэшируемой памяти

- алгоритма замещения данных в КЭШе

- особенностей выполняемой программы

- времени ее работы

- и тд
Но в большинстве реализаций процент кэш-попаданий высокий, более 90%. Круть.

Это достигается за счет того, что данные обладают свойствами пространственной и временной локальности.

21. 
    Временная локальность – если произошло обращение к какому-то адресу, то с большой вероятностью скоро по нему снова обратятся
    
22. 
    Пространственная локальность – если произошло обращение к какому-то адресу, то скоро произойдет обращение по соседним адресам.
    

В соответствии с принципом временной локальности, в Кэше сохраняют недавно просмотренные данные, а в соответствии с принципом пространственной локальности, в кэш считывается не один элемент информации, а целый блок данных или целый массив, если идет обработка массива.
Проблема согласования данных.

Существование двух копий данных – в КЭШе и оперативной памяти – порождает проблему согласования данных.

1. 
   Вытеснение данных из КЭШа
   

23. 
    Если данные не были изменены, то нужно просто сбросить бит действительности
    
24. 
    Если данные были изменены, то нужно скопировать их в основную память
    

2. 
   Если во время нахождения данных в КЭШе были изменены данные в основной памяти – копия в КЭШе становится недостоверной.
   

Есть 2 варианта решения проблемы:

25. 
    Сквозная запись – при каждой записи в основную память просматривается кэш. Если элемент найден в КЭШе, переписываются обе копии, если нет – только то, что в основной памяти
    
26. 
    Обратная запись – при каждой записи в основную память просматривается кэш. Если элемент найден в КЭШе, переписывается только копия в КЭШе, если нет – то, что в основной памяти.
    

В некоторых алгоритмах замещения предусмотрена первоочередная выгрузка модифицированных, грязных данных. Также модифицированные данные могут выгружаться не только, когда нужно освободить кэш, но и в фоновом режиме, когда ОС больше нечем заняться.

---

Детерминированный и случайный способы отображения основной памяти на кэш.

Работа с КЭШем (алгоритм поиска, алгоритм замещения) напрямую зависит от способа отображения основной памяти на кэш.
Способы бывают разные, но основное требование к отображению – ПРОЗРАЧНОСТЬ. То есть правило отображения основной памяти на кэш не должно зависеть от работы программ и пользователей, должно быть постоянным.
Широко распространены 2 основные схемы отображения:

- случайное

- детерминированное
Случайное отображение

Элемент ОП может быть размещен в ЛЮБОМ месте КЭШа.

Данные помещаются вместе в адресом в ОП, и поиск осуществляется по этому адресу.

Схемы поиска:

• 
  Простой перебор (неэффективно)
  
• 
  Ассоциативный поиск (сравнение выполняется не последовательно с каждой записью КЭШа, а параллельно, сразу со всеми записями). Признак, по которому идет сравнение, называется ТЭГ. В данном случае – это адрес элемента в оперативной памяти.
  

Ассоциативный поиск стоит дорого.

Такая память используется только для обеспечения высокого процента попадания достаточно небольшого объема памяти.
Особенности КЭШа со случайным отображением:

• 
  Вытеснение старых записей осуществляется только когда кэш-память заполнена и больше нет места
  
• 
  Выбор данных на выгрузку идет среди всех записей КЭШа (по стандартным принципам, как страницы из виртуальной памяти)
  

Детерминированный способ отображения

Любой элемент кэш памяти отображается в одно и то же место КЭШа.

КЭШ память делится на строки, каждая хранит одну или больше записей из оперативной памяти.

Строки кэш памяти соотносятся с адресами ОП как «один ко многим»
Прямое отображение:

От адреса ОП отделяется несколько разрядов – это будет номер кэш-строки

Ищем по этому номеру – нашли. Но это может быть любой из подходящих элементов.

Чтобы не искать по всем подходящим, а быстро идентифицировать, то или не то нашли, в строке кэш-памяти содержится тэг – старшая ЧАСТЬ АДРЕСА ДАННЫХ в оперативной памяти.

Если тэг совпал с такой же частью из запроса – попадание.


Особенности:

• 
  Вытеснение данных – не только при отсутствии свободного места
  
• 
  Нет никакого выбора на замещение
  
• 
  Низкая стоимость
  

---

Смотрите также файлы

• Это было много лет назад. Два школьных товарища, Вова и Саша, в конце апреля пошли в лес за берёзовым соком.docx

• Трбие саатыны таырыбы Алдымен сй, ардата атаанады! Трбие саатыны масаты.docx

• И. А. Лубинцов задание к теме 10.docx

• Как вы думаете, в чем заключается актуальность гуманистических качеств в профессиональной деятельности семейного психолога Необходимо ли проводить целенаправленную работу по их формированию.docx

• Нефёдова Мирона Александровича Руководитель проекта учитель физики Большакова Елена Васильевна Вязники 2021. I. Введение II. Теоретическое исследование.doc