प्रोसेसर कैश का तार्किक संगठन

दूसरे दिन, मैंने प्रोसेसर कैश मेमोरी में रैम की मैपिंग के सिद्धांतों के बारे में ज्ञान को व्यवस्थित करने का निर्णय लिया। परिणामस्वरूप, इस लेख का जन्म हुआ।

प्रोसेसर एक्सेस मेमोरी का उपयोग रैम को एक्सेस करते समय प्रोसेसर डाउनटाइम को कम करने के लिए किया जाता है।

कैशिंग का मूल विचार डेटा और निर्देशों की स्थानीयता की संपत्ति पर आधारित है: यदि किसी निश्चित पते तक पहुंच होती है, तो संभावना है कि मेमोरी उसी पते पर या निकट भविष्य में पड़ोसी के पते पर पहुंच जाएगी।

तार्किक रूप से, एक कैश कैश लाइनों का एक संग्रह है। प्रत्येक कैश लाइन एक निश्चित आकार और अतिरिक्त जानकारी के डेटा को ब्लॉक करती है। कैश लाइन के आकार को आमतौर पर उस डेटा ब्लॉक के आकार के रूप में समझा जाता है जो इसमें संग्रहीत होता है। X86 आर्किटेक्चर के लिए, लाइन कैश आकार 64 बाइट्स है।



इसलिए कैशिंग का सार रैम को कैश लाइनों में विभाजित करना और उन्हें कैश लाइन कैश में मैप करना है। इस डिस्प्ले के लिए कई विकल्प संभव हैं।

प्रत्यक्ष मैपिंग

रैम को कैश में डायरेक्ट मैप करने का मुख्य विचार इस प्रकार है: रैम को सेगमेंट में विभाजित किया गया है, प्रत्येक सेगमेंट कैश के आकार के बराबर है, और प्रत्येक सेगमेंट को ब्लॉक में विभाजित किया जा रहा है, प्रत्येक ब्लॉक कैश लाइन के आकार के बराबर है।



विभिन्न खंडों से RAM ब्लॉक होती है, लेकिन इन सेगमेंट में समान संख्याओं के साथ, हमेशा एक ही कैश कैश लाइन पर मैप की जाएगी:



प्रत्येक बाइट का पता खंड के अनुक्रम संख्या, खंड के अंदर कैश लाइन की अनुक्रम संख्या और कैश रेखा के अंदर बाइट की अनुक्रम संख्या का योग है। यह अनुसरण करता है कि बाइट पते केवल पुराने भागों में भिन्न होते हैं, जो खंडों के अनुक्रम संख्या होते हैं, और खंडों के अंदर कैश लाइनों के अनुक्रम संख्या और कैश लाइनों के अंदर बाइट्स के अनुक्रम संख्या दोहराए जाते हैं।

इस प्रकार, पूर्ण कैश लाइन पते को संग्रहीत करने की कोई आवश्यकता नहीं है, यह पते के केवल सबसे महत्वपूर्ण हिस्से को बचाने के लिए पर्याप्त है। प्रत्येक कैश लाइन का टैग इस कैश लाइन में पहले बाइट के पते का सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा संग्रहीत करता है।

b कैश लाइन का आकार है।
m कैश में कैश लाइनों की संख्या है।

प्रत्येक कैश लाइन के भीतर बी बाइट्स को संबोधित करने के लिए, आपको आवश्यकता होगी: log2b बिट्स।
प्रत्येक खंड के भीतर m कैश लाइनों को संबोधित करने के लिए, आपको आवश्यकता होगी: log2m बिट्स।

मी = कैश क्षमता / लाइन कैश आकार।

N RAM सेगमेंट को संबोधित करने के लिए: log2N बिट्स।

एन = रैम क्षमता / सेगमेंट का आकार।

बाइट को संबोधित करने के लिए आपको आवश्यकता होगी: log2N + log2m + log2b बिट।

कैश में खोजें चरण:
1. पते के मध्य भाग (log2m), जो कैश में कैश लाइन संख्या निर्धारित करता है, को पुनर्प्राप्त किया जाता है।
2. इस नंबर के साथ कैश लाइन टैग की तुलना पते के प्रमुख भाग (log2N) से की जाती है।

यदि टैग में से एक पर एक मैच था, तो कैश हिट हुआ।
यदि किसी टैग पर कोई मेल नहीं था, तो कैश मिस हुआ।

पूरी तरह से सहायक मानचित्रण

RAM को कैश से पूरी तरह से जोड़ने के लिए मुख्य विचार इस प्रकार है: RAM को ब्लॉक में विभाजित किया गया है जिसका आकार कैश लाइनों के आकार के बराबर है, और प्रत्येक RAM ब्लॉक को किसी भी कैश कैश लाइन में संग्रहीत किया जा सकता है:



प्रत्येक बाइट का पता कैश लाइन के अनुक्रम संख्या और कैश लाइन के अंदर बाइट की अनुक्रम संख्या का योग है। यह अनुसरण करता है कि बाइट पते केवल पुराने भागों में भिन्न होते हैं, जो कि कैश लाइन नंबर होते हैं। कैश लाइनों के भीतर बाइट संख्या दोहराई जाती है।

प्रत्येक कैश लाइन का टैग किसी दिए गए कैश लाइन में पहले बाइट के पते का सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा संग्रहीत करता है।

b कैश लाइन का आकार है।
मी कैश लाइनों की संख्या है जो रैम में फिट होती है।

प्रत्येक कैश लाइन के भीतर बी बाइट्स को संबोधित करने के लिए, आपको आवश्यकता होगी: log2b बिट्स।
M कैश लाइनों को संबोधित करने के लिए: log2m बिट्स।

m = RAM आकार / कैश लाइन आकार।

बाइट को संबोधित करने के लिए आपको आवश्यकता होगी: log2m + log2b बिट।

कैश में खोजें चरण:
1. सभी कैश लाइनों के टैग की एक ही समय में पते के उच्चतम भाग के साथ तुलना की जाती है।

यदि टैग में से एक पर एक मैच था, तो कैश हिट हुआ।
यदि किसी टैग पर कोई मेल नहीं था, तो कैश मिस हुआ।

ASSOCIATIVE मैपिंग सेट करें

कैश के लिए सेट एसोसिएटिव मैपिंग रैम का मुख्य विचार इस प्रकार है: रैम को डायरेक्ट मैपिंग में भी साझा किया जाता है, और कैश में डायरेक्ट मैपिंग का उपयोग करके के कैश (k चैनल) होते हैं।



सभी चैनलों में समान संख्याओं वाली कैश लाइनें एक सेट (सेट, सेट) बनाती हैं। प्रत्येक सेट एक कैश है जो पूरी तरह से साहचर्य मानचित्रण का उपयोग करता है।

विभिन्न खंडों से रैम ब्लॉक होते हैं, लेकिन इन खंडों में समान संख्याओं के साथ, हमेशा एक ही कैश सेट पर मैप किया जाएगा। यदि इस सेट में मुफ्त कैश लाइनें हैं, तो रैम से पढ़ा गया ब्लॉक फ्री कैश लाइन में सहेजा जाएगा, यदि सभी सेट कैश लाइनें व्यस्त हैं, तो कैश लाइन का उपयोग प्रतिस्थापन एल्गोरिदम के अनुसार किया जाता है।



बाइट पते की संरचना बिल्कुल प्रत्यक्ष मैपिंग के समान है: log2N + log2m + log2bb, लेकिन तब से सेट अलग कैश लाइनें है, कैश में खोज थोड़ी अलग है।

कैश में खोजें चरण:
1. पते का मध्य भाग (log2m), जो कैश में नेटवर्क नंबर निर्धारित करता है, को पुनः प्राप्त किया जाता है।
2. इस सेट के सभी कैश लाइनों के टैग की एक ही समय में पता (log2N) के उच्चतम भाग के साथ तुलना की जाती है।

यदि टैग में से एक पर एक मैच था, तो कैश हिट हुआ।
यदि किसी टैग पर कोई मेल नहीं था, तो कैश मिस हुआ।

इस प्रकार, कैश चैनलों की संख्या एक साथ तुलना किए गए टैगों की संख्या निर्धारित करती है।