Адресный кэш
Кэш память используется во всех современных компьютерах – это сравнительно небольшого объема статическая ассоциативная память, интегрированная на кристалл процессора, работающая на частоте АЛУ и содержащая наиболее необходимую для работы процессора информацию для уменьшения числа обращений к медленным устройствам, например, оперативной памяти. При обращении к памяти в кэш записывается блок, содержащий как запрашиваемую, так и расположенную по соседним адресам информацию. Коэффициент кэш-попаданий в буфер TLB составляет 95- 98 %. И только при кэш-промахе включается страничный механизм.
Адресный кэш представляет собой память небольшого объема, предназначенную для хранения информации о преобразовании виртуальных адресов в физические. При использовании страничной (сегментно-страничной) организации памяти необходимо преобразовать виртуальный адрес в физический, для этого используют таблицу страниц, которую удобно загрузить в кэш, а не располагать в оперативной памяти. Это снизит время преобразования к минимуму и увеличит быстродействие процессора в целом. Конечно, адресный кэш эффективен в случае редких переходов между программами.
В задании оговорено, что кэш-память представляет собой TLB (буфер быстрого преобразования адреса). При каждом преобразовании виртуального адреса в физический результат заносится в TLB: физический адрес в память данных, а виртуальный – в память тегов. Таким образом, в TLB попадают результаты нескольких последних операций трансляции адресов. При каждом обращении к ОП преобразователь адресов сначала производит поиск в памяти тегов TLB номера требуемого сегмента, потом поиск требуемой страницы для заданного сегмента. При попадании адрес соответствующей физической страницы берется из памяти данных TLB. Если в TLB зафиксирован промах, то делается попытка сократить время преобразования путем исключения одного дополнительного обращения к ОП. Может оказаться, что страница, к которой происходит обращение, принадлежит сегменту предыдущего обращения к ОП. Для этого в ОП должны сохраняться номер сегмента и адрес начала его страничной таблицы для предыдущего обращения. Если совпадают номера сегментов текущего и предыдущего обращений, первый этап преобразования исключается, используется сохраненный адрес начала сегментной таблицы и выполняется только второй этап преобразования, т. е. производится только одно дополнительное обращение к ОП. Если номера сегментов не совпадут, то процедура преобразования адресов производится аналогично описанному в предыдущем пункте методу, после чего осуществляется запись найденных значений виртуального и физического адресов в TLB.
Дополнительные обращения к ОП сопровождаются занесением информации о текущей странице в кэш. Если в кэше не оказывается свободного регистра (строки), данные о новой странице записываются на место данных, которые дольше всего не использовались в процессе преобразования адресов.
Каждая запись содержит поля номера сегмента, номера страницы, четыре признака: V, R, M, A и поле физического адреса.
Структура TLB показана на рис.10.
Буфер преобразования адресов обычно реализуется в виде полностью ассоциативной или множественно-ассоциативной кэш-памяти с высокой степенью ассоциативности временем доступа, сопоставимым с аналогичными показателями для кэш-памяти первого уровня.
Рис.10 Структурная организация адресного кэша
Организация ввода/вывода
Наиболее простым методом управления вводом/выводом является программно-управляемый ввод/вывод, часто называемый также вводом/выводом с опросом. Здесь ввод/вывод происходит под полным контролем ЦП и реализуется специальной процедурой ввода/вывода. В этой процедуре ЦП с помощью команды ввода/вывода сообщает модулю ввода/вывода, а через него и внешнему устройству о предстоящей операции. Адрес модуля и ВУ, к которому производится обращение, указывается в адресной части команды ввода или вывода. Модуль исполняет затребованное действие, после чего устанавливает в единицу соответствующий бит в своем регистре состояния. Ничего другого, чтобы уведомить ЦП, модуль не предпринимает. Следовательно, для определения момента завершения операции или пересылки очередного элемента блока данных процессор должен периодически опрашивать и анализировать содержимое регистра состояния МВВ.
Иллюстрация процедуры программно-управляемого ввода блока данных с устройства ввода приведена на рис.11. Данные читаются пословно. Для каждого читаемого слова ЦП должен оставаться в цикле проверки, пока не определит, что слово находится в регистре данных МВВ, то есть доступно для скачивания.
Процедура начинается с выдачи процессором команды ввода, в которой указан адрес конкретного МВВ и конкретного ВУ. Существуют четыре типа команд ввода/вывода, которые может получить МВВ: управление, проверка, чтение и запись.
Команды управления используются для активизации ВУ и указания требуемой операции. Например, в устройство памяти на магнитной ленте может быть выдана команда перемотки или продвижения на одну запись. Для каждого типа ВУ характерны специфичные для него команды управления.
Команда проверки применяется для проверки различных ситуаций, возникающих в МВВ и ВУ в процессе ввода/вывода. С помощью таких команд ЦП способен выяснить, включено ли ВУ, готово ли оно к работе, завершена ли последняя операция ввода/вывода и не возникли ли в ходе ее выполнения какие-либо ошибки. Действие команды сводится к установке или сбросу соответствующих разрядов регистра состояния МВВ.
Команда чтения побуждает модуль получить элемент данных из ВУ и занести его в регистр данных. ЦП может получить этот элемент данных, запросив МВВ поместить его на шину данных (в нашем случае шину адресов/данных).
Команда записи заставляет модуль принять элемент данных (байт или слово) с общей шины и переслать его в регистр данных с последующей передачей в ВУ.
Если к МВВ подключено несколько внешних устройств, то в процедуре ввода/вывода нужно производить циклический опрос всех устройств, с которыми в данный момент производятся операции ввода/вывода.
Из блок-схемы (рис.11) явно виден недостаток данного метода ввода/вывода – неэффективное использование процессора из-за ожидания готовности очередной порции информации, в течение, которого никаких иных полезных действий ЦП не выполняет. Кроме того, пересылка даже одного слова требует выполнения нескольких команд. ЦП должен тратить время на анализ битов состояния МВВ, запись в МВВ битов управления, чтение или запись данных со скоростью, определяемой внешним устройством. Все это также отрицательно сказывается на эффективности ввода/вывода.
Главным аргументом в пользу программно-управляемого ввода/вывода является простота МВВ, поскольку основные функции по управлению ввода/вывода берет на себя процессор. Подключение новых ВУ устройств или отключение раннее подключенных реализуется без особых сложностей.
Рис.11 Программно-упраляемый ввод данных
|
