23.Алгоритмы согласования содержимого кэш-памяти и основной памяти.

В процессе вычислений процессор может не только считыватьимеющуюся информацию,но и записывать новую, обновляя тем самым содержимое кэш-памяти.С другой стороны, многиеустройства ввода/выводамогут напрямую обмениваться информацией с основной памятью (прямой доступ к памяти). В обоих вариантах возникает ситуация, когда содержимое строки кэша и соответствующего блока ОП перестают совпадать. В результате на связанное с основной памятью устройство вывода может быть выдана устаревшая информация, поскольку все изменения в ней, сделанные процессором, фиксируются только в кэш-памяти, а процессор будет использовать старое содержимое кэш-памяти вместо новых данных, загруженных в ОП изустройства ввода.

Для разрешения первой из рассмотренных ситуаций, когда процессор выполняет операцию записи, в системах скэш-памятью предусмотрены методы обновления основной памяти (политики записи), которые можно разбить на двебольшие группы:

• метод сквозной записи WT(write through);

• метод обратной записи WB (write back).

По методу сквозной записи, прежде всего, обновляется слово, хранящееся в основной памяти. Если в кэш-памяти существует копия этого слова, то она также обновляется. Если же в кэш-памяти отсутствует нужная копия, то возможны два варианта:

1. сквозная запись с отображением – из основной памяти в кэш-памятьпересылается блок, содержащий обновленное слово;

2. сквозная запись без отображения – пересылка блока в кэш-памятьне производится.

Метод достаточно прост в реализации и легко обеспечивает целостность данных за счет постоянного совпадения копий данных в кэше и основной памяти. Основное достоинство метода сквозной записи состоит в том, что когда строка в кэш-памяти назначается для хранения другого блока, то удаляемый блок можно не возвращать восновную память, поскольку его копия там ужеимеется. При этом можно обойтисьбез признака модифицированности. Недостаток метода состоит в том, что эффект от использования кэш-памяти (сокращение времени доступа) в отношении к операциям записи отсутствует. Данный метод применен в микропроцессорах i486 фирмы Intel.

Определенный выигрыш дает его модификация, известная как метод отложенной буферизированной сквозной записи. Информация сначала записывается в кэш-память и в специальный буфер, работающий по схеме FIFO. Запись в основную память производится уже из буфера, а процессор, не дожидаясьее окончания, может сразу же продолжать свою работу.

Соответствующая логикауправления должна заботиться о том, чтобы своевременно переписывать заполненный буфер в ОП (например, во время свободных тактов шины). При использовании буферизации процессор полностью освобождается от работы с ОП.

Согласно методу обратной записи, слово заносится только в кэш-память. Если соответствующей строки в кэш-памяти нет, то нужный блок сначала пересылаетсяиз ОП, после чего запись все равно выполняется только вкэш-память. При этом строка кэша, в которую произведена запись, помечается как грязная или модифицированная,т.е. требующая выгрузки в основную память.

Только после этой выгрузки (записи в основную память) строка становится чистой, и ее можно будет использовать для кэширования других блоков без потери целостности данных. В основную память данныепереписываются только целой строкой. Выгрузка (запись) в основную память откладывается до наступления крайней необходимости (например, обращение к кэшированной памяти другим устройством, замещение строки в кэшеновыми данными) или выполняется в свободное время после модификации всей строки. Данный метод сложнее в реализации, но существенно эффективнее (в среднем на 10%), чем сквозная запись, так как позволяет уменьшитьколичество операций записи в основную память.

Предотвратить несогласованность в ситуации, когда в основную памятьизустройства ввода, минуя процессор, заносится новая информация и неверной становится копия, хранящаяся в кэш-памяти, позволяют два приема. В первом случае ввод любой информации в ОП автоматически сопровождается соответствующими изменениями в кэш-памяти. Во втором случае ввод любой информации в ОП допускается только через кэш-память.