5-mavzu asosiy xotira Reja

5.4. Kesh xotirasi

Protsessorlar har doim xotiradan tezroq bo'lgan. Protsessorlar va xotira parallel ravishda rivojlanib borar ekan, bu nomuvofiqlik davom etadi. Ko'proq tranzistorlarni chipga joylashtirish mumkinligi sababli, protsessor dizaynerlari protsessorning ish faoliyatini yanada oshiradigan quvurli va superskalalar arxitekturalarini yaratmoqdalar. Xotira dizaynerlari tezlikni emas, balki quvvatni oshirish uchun yangi texnologiyalardan foydalanadilar, bu esa bo'shliqni yanada kengaytiradi. Amalda, ish tezligidagi bunday nomuvofiqlik protsessor xotiraga kirganda, so'ralgan so'zni olishdan oldin bir nechta mashinani aylanishiga olib keladi. Xotira sekinroq bo'lsa, protsessor qancha vaqt kutishi kerak bo'lsa, shunchalik ko'p tsikl kerak bo'ladi.

Yuqorida aytib o'tganimizdek, muammoni hal qilishning ikki yo'li mavjud. Ulardan eng oddiylari xotiradan ma'lumotlarni o'qishni boshlash va shu bilan birga buyruqlarni bajarishni davom ettirishdir, ammo biron bir buyruq biron bir so'zni xotiradan o'qishdan oldin foydalanishga harakat qilsa, protsessor pauza qilishi kerak. Xotira qanchalik sekin bo'lsa, bu vaziyat tez-tez yuz beradi va protsessorning bo'sh vaqtini uzaytiradi. Masalan, beshta kirish xotirasidan bitta qo'llanma va kirish vaqti 5 tsikldan iborat bo'lsa, tezkor xotiraga kirishga nisbatan ijro muddati ikki baravar ko'payadi. Ammo agar xotiraga kirish vaqti 50 tsikl bo'lsa, unda bajarish vaqti 11 baravar ko'payadi (buyruqlarni bajarish uchun 5 tsikl + 50 ta xotiradan ma'lumotlarni kutish).
Muammoning yana bir echimi - bu to'xtamaydigan mashinani loyihalash, ammo kompilyator dasturlari xotiradan o'qimasdan oldin so'zlarni ishlatmaydi. Biroq, bu amalda oson emas. Ko'pincha, yuklash buyrug'ini qayta ishlashda, mashina boshqa harakatlarni amalga oshira olmaydi, shuning uchun kompilyator biron bir operatsiyani bajarmaydigan bo'sh ko'rsatmalarni kiritishga majbur bo'ladi, ammo xotira joyini egallaydi. Aslida, bu yondashuv apparat emas, dasturiy ta'minot darajasida kechikishni joriy qiladi, ammo ishlashning yomonlashishi bir xil.
Aslida, bu muammo texnologik emas, balki iqtisodiy. Muhandislar protsessor kabi tezkor xotirani qanday yaratishni bilishadi.
Biroq, uni to'g'ridan-to'g'ri protsessor mikrosxemasiga joylashtirish kerak (chunki ma'lumot avtobus orqali juda sekin oqadi). Protsessor chipiga katta hajmdagi xotirani joylashtirish uning hajmini va shuning uchun narxini oshiradi. Biroq, xarajat ahamiyatsiz bo'lsa ham, yaratilgan protsessorlar hajmida hali ham cheklovlar mavjud. Shunday qilib, siz tez, kichik xotirani va sekin, katta hajmli xotirani tanlashingiz kerak. (Biz tez, katta hajmli va arzon xotirani ham afzal ko'ramiz).
Shunisi qiziqki, kichik va tezkor xotirani katta va sekin xotira bilan birlashtiradigan texnologiyalar mavjud bo'lib, bu ham yuqori tezlikda, ham katta hajmdagi xotirani arzon narxda olish imkonini beradi. Kichik xotira yuqori tezlikka ega kesh xotirasi deb ataladi (frantsuzcha "cacher" so'zidan - "yashirish"; u "kasha" ni o'qiydi). Keyinchalik, kesh qanday ishlatilishini va qanday ishlashini qisqacha tasvirlab beramiz.
Keshning asosiy g'oyasi sodda: unda eng ko'p ishlatiladigan so'zlar mavjud. Agar protsessorga so'z kerak bo'lsa, u avval kesh xotirasiga kiradi. Agar so'z yo'q bo'lsa, u asosiy xotiraga tegishli. Agar so'zlarning muhim qismi keshda bo'lsa, o'rtacha kirish vaqti sezilarli darajada kamayadi.
Shunday qilib, muvaffaqiyat yoki muvaffaqiyatsizlik keshda qancha so'z borligiga bog'liq. Dasturlar xotiraga tasodifiy kirish imkoniyati yo'qligi allaqachon ma'lum bo'lgan.
Agar dastur A manziliga kirishni talab qilsa, u holda A yaqinida joylashgan manzilga kirish kerak bo'ladi, odatdagi dasturning deyarli barcha buyruqlari (o'tish va protsedura qo'ng'iroqlaridan tashqari) ketma-ket xotira joylaridan chaqiriladi. Bundan tashqari, dastur cheklangan ko'rsatmalar to'plami qayta-qayta bajarilganda ko'p vaqtini ko'chadan o'tkazadi. Xuddi shunday, matritsalar bilan ishlashda, dastur boshqa narsaga o'tishdan oldin ko'p marta bir xil matritsaga murojaat qiladi.
Xotiraning kichik bir qismi ma'lum vaqt davomida ketma-ket foydalaniladigan xotiradan foydalanilganda yuzaga kelgan vaziyatga joylilik printsipi deyiladi. Ushbu printsip barcha kesh tizimlarining asosini tashkil qiladi. Gap shundaki, ma'lum bir so'z xotiradan chaqirilganda, u qo'shni so'zlar bilan bir qatorda, kesh xotirasiga o'tkaziladi, bu keyingi so'rovga keyingi so'zlarga tezda kirishga imkon beradi. Protsessor, kesh va asosiy xotiraning umumiy joylashishi sek. 2.13.
Agar so'z bir necha marta o'qilgan yoki yozilgan bo'lsa, kompyuter sekin asosiy xotiraga bitta kirishni amalga oshirishi kerak va tez kesh xotirasiga k - 1 qo'ng'iroqlar kerak. K qanchalik katta bo'lsa, unumdorlik darajasi shuncha yuqori bo'ladi.



2.13- rasm. Kesh xotirasi, narsalarning mantig'iga ko'ra, protsessor va asosiy xotira o'rtasida joylashgan bo'lishi kerak. Aslida uchta mumkin bo'lgan kesh rejimi mavjud
Biz yanada qat'iy hisob-kitoblarni amalga oshirishimiz mumkin. Keshga kirish vaqti m ga teng bo'lsin, asosiy xotiraga kirish vaqti m va kesh kirish darajasi sonining barcha xotira kirishlarining umumiy soniga nisbati ko'rsatilgan. Bizning misolimizda
h = (k - 1) / k.
Ba'zi mualliflar kesh sog'inish koeffitsientini 1 - h ga ishora qiladilar.
Shunday qilib, biz kirishning o'rtacha vaqtini hisoblashimiz mumkin:
O'rtacha kirish vaqti = c + (1 - h) m.
Agar h → 1, ya'ni barcha qo'ng'iroqlar faqat kesh xotirasida amalga oshirilsa, kirish vaqti c ga to'g'ri keladi. Boshqa tomondan, agar
h → 0, ya'ni har safar asosiy xotiraga kirishingiz kerak bo'lganda kirish vaqti c + m ga teng bo'ladi: avval kesh xotirasini tekshirish uchun c vaqt kerak bo'ladi (bu holda, muvaffaqiyatsiz) va keyin asosiy xotiraga kirish uchun m vaqt kerak bo'ladi. Ba'zi bir tizimlarda asosiy xotiraga kirish keshni sinash bilan parallel ravishda boshlanishi mumkin, shunda kesh sog'inmagan bo'lsa, asosiy xotiraga kirish aylanishi allaqachon boshlangan. Shu bilan birga, ushbu strategiya keshga zarba bo'lganida asosiy xotiraga kirishni to'xtatish qobiliyatini talab qiladi, bu esa bunday kompyuterning dizaynini murakkablashtiradi.


Savollar

1. 
   Kompyuterning operativ xotirasi nima?
   
2. 
   Operativ xotira tuzilishi.
   
3. 
   Operativ xotira qanday ishlaydi?
   
4. 
   Kompyuterdagi RAMga nima ta'sir qiladi?
   
5. 
   Xotirani ishlashning mumkin bo'lgan usullari qanday?