Организация ЭВМ. Организация систем памяти. Виртуальная и кэш - память

1. Организация ЭВМ

2. Организация систем памяти.
Виртуальная и кэш-память
1

2. Организация ЭВМ

2.1 Виртуальная память
Виртуальная память - система организации
памяти, при которой процессу (программе)
предоставляется
адресное пространство,
превышающее
физическое
адресное
пространство ОЗУ системы за счет внешней
памяти.
2

3. Организация ЭВМ

2.1.1 Назначение ВП
1. Предоставление процессу большего объема
памяти, чем физический объем оперативной
памяти
2. Снижение потерь на обращения к внешней
памяти
3. Защита памяти
3

4. Организация ЭВМ

2.1.2 Варианты построения ВП
1. Программная
2. Программно-аппаратная
аппаратной поддержки
например – TLB в IA-32)
(с
в
блоком
процессоре,
4

5. Организация ЭВМ

2.1.3 Варианты организации ВП
1. Страничная
(страницы фиксированного
размера, обычно несколько Кб)
2. Сегментная (сегменты переменного объема)
3. Сегментно-страничная (сегменты, состоящие из страниц) – используется чаще всего
5

6. Организация ЭВМ

2.1.4 Виртуальный адрес
Номер сегмента
Указывает на
адрес таблицы
страниц в
таблице
сегментов
Номер
страницы
Указывает на
адрес
страницы в
таблице
страниц
Смещение
Указывает на
смещение в
странице
6

7. Организация ЭВМ

2.1.5 Таблица TLB
TLB (Translation Lookaside Buffer – буфер
ассоциативной трансляции) – построен на
ассоциативной памяти, служит для аппаратной
поддержки ВП в процессорах Intel
Адрес
виртуальный
Адрес физический
Дополнительная
информация
7

8. Организация ЭВМ

2.1.6 Стратегии замены страниц
1. Наиболее давнее использование (по времени)- LRU.
2. Наиболее редкое использование (по частоте) – LFU.
3. По очереди (по принципу FIFO).
4. Случайный выбор страницы.
5. “Наилучший” выбор – гибкое сочетание различных
стратегий.
8

9. Организация ЭВМ

2.2 Кэш память
Кэш память (от «cache» – скрытый, скрывать) вариант
организации системы памяти, предназначенный для
ускорения обмена между двумя уровнями иерархии
памяти, в которой используется быстрая буферная
память. (Одним из уровней является оперативная
память)
Примеры организации : КЭШ процессора, КЭШ HDD,…
9

10. Организация ЭВМ

2.2.1 Сравнение КП и ВП
Виртуальная память
1. Организуется для ускорения
обмена между процессором и
внешней памятью (ОЗУ и ВнП).
2. Обмен страницами по 2–16
Кб.
3. Ускорение до 1000 раз.
4. При подкачке ЦП может
переключаться на другую задачу.
5. Адресное пространство
ВП равно сумме адресного
пространства ОЗУ и ВнП.
6. В ОЗУ хранятся копии или
оригиналы страниц ВП.
7. ВП м.б. программно
доступна.
Кэш-память
1. Организуется для ускорения
обмена между ЦП и ОЗУ.
2. Обмен строками (сотни байт).
3. Ускорение до 10 раз.
4. При подкачке ЦП ожидает ее
завершения.
5. Адресное пространство кэшпамяти равно адресному пространству
ОЗУ.
6. В буферной памяти хранятся
копии строк ОЗУ.
7. Кэш-память программно
недоступна.
10

11. Организация ЭВМ

2.2.2 Варианты организации КП
1. По удаленности от ЦП : L1, L2, L3
2. По варианту записи :
- со сквозной записью (WT);
- с обратной записью (WB).
3. По варианту считывания :
- со сквозным считыванием;
- с «обычным» считыванием
11

12. Организация ЭВМ

2.2.2 Варианты организации КП
4. По варианту отображения строк основной
памяти на строки буферной памяти :
- полностью ассоциативная;
- с прямым отображением;
- множественно-ассоциативная
(многоканальная)
12

13. Организация ЭВМ

2.2.3 Произвольное отображение
(полностью ассоциативная КП)
Строка ОП может располагаться в любой строке БП
ОП
стр. 0
стр. 1
стр. 2
стр. 3
стр. 4
БП
строка тэг
стр.2 0010
стр.6 0110
стр.7 0111
стр.13 1101
RgD
компараторы
=
=
=
=
0110
RG Aлог
№ слова
стр.15
MUX
слово
13

14. Организация ЭВМ

2.2.4 Прямое отображение
Строка ОП может располагаться в определенной
строке БП ОП
БП
стр. 0
стр. 1
стр. 2
стр. 3
стр. 4
строка
стр.0
стр.13
стр.6
стр.7
тэг
00
11
01
01
"00"
"01"
"10"
"11"
MUX
RG строк
стр.15
стр.6
01
01
RG Aлог
10 № слова
=
MUX
14

15. Организация ЭВМ

2.2.5 Множественно-ассоциативная КП
Вся память (БП и ОП) делится на множества. Между
множествами БП и ОП – прямое отображение, внутри произвольное ОП
БП
стр. 0
стр. 1
стр. 2
стр. 3
стр. 4
строка
стр.0
стр.6
тэг
000
011
"0"
"0"
стр.7
стр.13
011
110
"1"
"1"
MUX
011
стр.15
стр.7
стр.13
011
110
1 № слова
=
=
MUX
15

16. Организация ЭВМ

2.2.7 Ускорение КП
Кэш позволяет достичь ускорения Kуск = Топ / Тэфкп,
где Топ – время обращения к ОП, Тэфкп – эффективное
время доступа к КП,
Тэфкп = Tкп Phit + Tпр (1-Phit),
Ткп – время обращения к кэш, Phit – вероятность
попадания в КП, Тпр – время промаха (подкачки). Для
конкретной программы Phit можно заменить на
Khit = Nhit/(Nhit + Nmiss)
16