1. Кеш-памет
При PC с процесор 386DX с честота 25 MHz и по-висока наред с
основната памет е предвидена и допълнителна памет RAM (междинна памет),
тъй като „нормалните" памети DRAM са прекалено бавни спрямо тактовата
честота на CPU, поради което се налага процесорът да изпълнява допълнителни
цикли на изчакване, зa да приеме данните от DRAM. Поради тази причина меж-
ду паметта DRAM и CPU сe включва допьлнителна бърза памет (SRAM),
времената на достъп при която са от порядъка на 10 - 25 ns. На следващата
фигура са дадени някои основни характеристики за тритe основни вида памет,
както и за съвместната работа на кеш-памет, DRAM и твърд диск.
Кеш-паметта е от особено значение за бьрзодействието на РС. Ето един
пример. Ако кеш-паметта на процесор Pentium 90 MHz се изключи и се включи
еталонна (benchmark) програма като Sysinfo (Norton Commander, Symantec),
може да се установи, че бързодействието спада до това на Compaq 386/33 MHz.
Но за съжаление нито повечето тестови програми за PC, нито системната
информация за операционната система (Windows 95) предлагат достатъчно
данни за конфигуриране на кеш-паметта, което налага пo-задълбочено
изследване на този проблем.
При процесорите 80486DX е вградена кеш-памет 8 Kbyte заедно с
необходимия за управлението й контролер. Тази вътрешна кеш-памет се
означавa като кеш-памет от първо ниво (First-Lavel-Cache, L1-Cache) и в
зависимост от вида на CPU е с различен капацитет.
Например Cyrix 6х86МХ разполага с L1-Cache с капацитет 64 Kbyte.
При процесорите на Cyrix кеш-паметта oт първо ниво не е разделена както при
другите процесори на област за данни и за инструкции, а се използва и от двете
2. едновременно и се нарича унифицирана (unified). Това представлява известен
проблем за процесорите Cyrix, тъй като BIOS трябва да поддържа работата с
точно такъв вид кеш-памет. Ето защо за системи, които все още не могат да
инициализират паметта по подходящ начин, Cyrix предлага допълнителни
драйверни програми, поемащи тази функция.
Съществува и друг вид кеш-памет, които се означава като кеш-памет от
второ ниво (Second- Level-Cache, L2-Cachе) и е реализирана като отделна памет
на дънната платка. Особеност при процесорите PentiumPro е, че те разполагат и
интегрирана кеш-памет от второ ниво (Pipelined Burst) с капацитет 512 KBytе,
работеща с вътрешния такт на CPU, което значително повишава
бързодействието спрямо стандартния Pentium. Pentium II също paзполага с
интегрирана кеш-памет от второ ниво, която обаче работи само с половината от
тактовата честота на CPU.
Нарастването на бързодействието на процесорите от едно поколение
спрямо предишното често се дължи на увеличаването на капацитета на вът-
решната кеш-памет и на някои нововъведения, които обаче трябва да се вземат
под внимание при програмирането. Това за сьжаление не винаги се
осъществява.
Режими на работа на кеш-паметта
Принципно са възможни два основни режима на работа на кеш-паметите:
Write Through и Write Вack.
При първия режим на paбота процесорът записва данните едновременно
както в оперативната памет, така и в кеш-паметта.
При четене на данни с помощта на паметта Cache-Tag-RAM, която обикновено
е с по-малък капацитет от действителната кеш-памет (Cache-RAM), кет-
контролерът определя дали нужните данни се намират в кеш-паметта (Cache
Hit), или са извън нея (Cache Miss). За целта кеш-контролерът сравнява
адресите, съхранени в DRAM, с тези, които са съхранени в Cache-Tag-RAM. В
първия случай Cache Hit, вероятността за който достига до 95 %, се
осъществява бързо прочитане на данните от кеш-паметта, във втория - Cache
Miss, данни сe четат от бавната RAM памет.
При операции за запис в режим Write Back първо се актуализират данните
в кеш-паметта, но не и тези в оперативната памет. В кеш-контролера се
установява т нар. Dirty Вit, с който се указва, че данните в кеш-паметта не
съответстват на тези в оперативната памет, и в този случай следва
актуализиране на данните в оперативната памет. Режимът Write Rack
превъзхожда по ефективност режима Write Through, тъй като при него се
минимизира времето за запис и данните се актуализират само при промяна. Ето
защо в BIOS-Setup на PC трябва при възможност да се задава режим Write Вack.
При операции за четене работата е същата както в режима Write Through.
Дали PC може да работи само в режим Write Тhrough, или и в режим
Write Back, зависи от множество фактори: от използвания процесор, от
структурата на вътрешната кеш-памет, от чипсета на дънната платка и от BIOS
3. на PC.
Едва процесорите Pentium стандартно могат да работят в по-ефективния
режим Write Back. При 486DX-PC зависи как е реализирана външната кеш-
памет и този режим е възможен само при кеш-паметта от второ ниво. Ето защо
съществуват PC, при които е възможно да се направи съответното
превключване и BIOS-Setup, и други, при които това е невъзможно.
За кеш-паметта трябва дa се установи режим Write Back, ако той се
поддържа и ако за целта в BIOS-Setup се предлага възможност зa
превключване.
Съществуват и процесори 486, например 486DX-66 на Cyrix и някои
процесори 486 на Intel (могат да се разпознаят по означението Write Back в
надписа), които поддържат стандартно Write Back. 386-PC използват
изключително само режима Write Trough.
Кеш-памет от второ ниво
(Second Level Cache, L2- Cache)
Външната кеш-памет обикновено е с обем от 256 KByte до 1 МByte -
значително по-малък от обема на оперативната памет. Принципът на кеш-
паметта е известен още от 60-те години и при него се използва фактът, че в
дадена програма редица действия се извършват в определена оследователност
или в цикли, като при това често се изпълняват определени програмни части
или се използват променливи, които не заемат големи обеми памет. Значително
повишаване на бързодействието може да ос получи, когато тези програмни
части се съхраняват в бърза кеш-памет.
При относително малки размери на кеш-паметга (напр. 32 KByte) не
представлява проблем поставянето на съответните схеми памет на дънната
платка и това се препоръчва, защото се получава значително повишаване на
бързодействието.
Размерът на кеш-паметта трябва да се съобрази с размера на инсталираната
памет, така че да е възможно "кеширането" на.достатъчно голям обем памет.
При чипсетовете на Intel обемът памет, който може да се ''прехвърли" в кеш-
паметта, зависи и oт вида на вградената TAG-RAM.
