Kesh xotira vazifalari va darajalari

O’ZBEKISTON RESPUBLIKASI AXBOROT
TEXNOLOGIYALARI VA KOMMUNIKATSIYALARINI
RIVOJLANTIRISH VAZIRLIGI

MUHAMMAD AL-XORAZMIY NOMIDAGI
TOSHKЕNT AXBOROT TЕXNOLOGIYALARI
UNIVЕRSITЕTI


210-21 GURUH TALABASI RUSTAMOV JAVOHIRNING


KOMPYUTETRNI TASHKILLASHTIRISH
(Amaliy)
fanidan


Toshkent 2023
KESH XOTIRA VAZIFALARI VA DARAJALARI.

Protsessorlar har doim xotiraga nisbatan tez ishlagan. Protsessorlar ham, xotira ham parallel ravishda takomillashtirilib kelinmoqda. Konveyerli va superskalyar arxitekturali, unumdorligi juda katta bo‘lgan protsessorlar ishlab chiqarilmoqda. Xotira qurilmalarini ishlab chiqaruvchilar esa birinchi galda, uning hajmini oshirishga harakat qilmoqdalar, tezkorligini emas. Shuning uchun ham protsessorlar va xotiralarning ishlash tezliklari orasidagi farq yana ham kattalashmoqda. Tezliklarning bunday farqlari tufayli, protsessor xotiraga unga kerakli so‘zni o‘qib olish uchun murojaat qilganida, bir nechta mashina sikllarini bekor o‘tkazib yuborishiga to‘g‘ri kelayapti.

Xotira protsessorga nisbatan qanchalik sekin ishlasa, shunchalik ko‘proq sikllar davomida protsessor uni kutib turishi kerak bo‘layapti.

Bu muammoni hal qilishning bir nechta yo‘llari mavjud ekan. Shu- lardan biri, uncha katta bo‘lmagan hajmga ega, ammo nisbatan ancha tez ishlaydigan, protsessor bilan asosiy xotira orasida joylashgan xotiradan foydalanish ekan (9.1-rasm). Bunday xotira kesh-xotira deb ataladi («cacher» - fransuz tilida «yashirish» degan so‘zni anglatadi). Kesh- xotirada dastur tomonidan ko‘p ishlatiladigan so‘zlar yoki asosiy xotiraning ma’lum bir qismi saqlanadi. Asosiy xotiraning bu qismi, o‘sha pay-tda ishlayotgan dastur tomonidan ko‘proq foydalanilishi mumkin bo‘lgan qismi bo‘ladi. Bu lokallik tamoili deb ataladi (rus tilida - prinsip lo­kalnosti).
Xotiraning asosiy xarakteristikalari quyidagilar hisoblanadi:

• 
  o’qish va yozish tezligi;
  
• 
  sig’imi;
  
• 
  montaj qilinadigan (joylashadigan) o’rni;
  
• 
  murojaat etish usuli.
  

Nisbatan uncha katta bo’lmagan sig’imli birinchi va eng tezkor xotira turini iyerarxiyaning birinchi darajasida turgan UVR va L1 kesh tashkil etadi. Bu o’ta operativ manzillashtirilmaydigan xotira. UVR registrlar soni nisbatan katta emas (umumiy sig’im yuzlab bayt), birinchi darajali L1 kesh xotira 128K gacha va undan ham ko’p sig’imga ega. Bu xotira turlarining har ikkalasi texnologik jihatdan bevosita prosessorning kristalliga joylashtiriladi. Bu xotira turlarining har ikkalasiga dasturchining murojaatiga ruxsat yo’q, bu operasion tizimning vazifasidir. Manzillashtirilmaydigan xotira qatoriga stekli xotira ham kiradi.

9.2-rasm. Xotira turlarini joylashtirish darajalari
UVR kichik hajmlarga ega bo’ladi, ammo eng yuqori yozish/o’qish tezligiga ega bo’ladi. Bu har biri so’z uzunligiga teng sig’imga ega oddiy registrlar. UVR registrlar prosessorlarda ichki o’ta operativ xotira rolini o’ynaydi. Ularning soni, razryadliligi va vazifasi loyihalashtirish bosqichida aniqlanadi.
UVRga murojaat qilish bevosita prosessor buyruqlarida ko’rsatilgan manzillar bo’yicha amalga oshirish mumkin, shuning uchun UVRda axborotlarni yozish va o’qish joriy buyruqlarning bajarilishi davomida amalga oshirilishi mumkin. Bunda registrlardan foydalanib mashina kodining bajarilishi faqatgina uchta taktlardan: buyruqni o’qish, deshifrasiya va bajarilishidan iborat.
KESh usulning g’oyasida katta sig’imli asosiy xotira va tezkor, uncha katta bo’lmagan xotira imkoniyatlarini birlashtirish yotadi. KESh asosiy xotira axborotlarni yoki dasturlarni, bloklarning nusxalarini vaqtincha saqlaydigan qo’shimcha va tezkor xotira hisoblanadi. Prosessor ishining yaqin taktlarida bu bloklarga murojaat qilish ehtimoli juda yuqori bo’ladi. KESh ma’lumotlar bloklarining cheklangan miqdorini va asosiy xotirada joylashgan bu bloklarning nusxalari jadvalini saqlaydi.
Keshlanadigan xotiraga har bir murojaatda kesh xotira kontrolleri katalog bo’yicha keshda talab etilgan haqiqiy nusxalar borligini tekshiradi. Agar nusxa u yerda bo’lsa, u holda kesh-tushish bo’ladi va ma’lumotlarga murojaat qilish faqat kesh xotiraga amalga oshadi. Agar nusxa u yerda bo’lmasa, unda bu hol kesh-yanglishish bo’ladi va ma’lumotlarga murojaat qilish asosiy xotiraga qarata amalga oshiriladi.
Shunday qilib, har bir dastur bloki uchun uning ko’plab ishchi manzillarini shakllantirmasdan bir harakat bilan oraliq kesh-xotiraga joylashtirish mumkin. Dastur bo’lagini bir martalik qayta o’rnatish uning ko’plab manzillarini bir necha satr (sahifalar) ko’rinishida taqdim etishga imkon beradi va ular bajarilishdan oldin kesh-xotiraga joylashtiriladi.
Bunday yondashuv ma’lumotlar uchun ham ishlatiladi. Boshqacha aytganda kesh-xotirada dastur tez-tez murojaat qiladigan OXQ sohalari ma’lumotlarining nusxalari saqlanadi. Kesh registrlarining razryadi asosiy xotira satrlarining razryadidan kichik, shuning uchun bitta satr keshning bir necha xona registrlariga joylashtiriladi.
Ichki prosessorli kesh-xotirani tashkil etish sxemasi 9.3-rasmda keltirilgan. Kesh-xotiraning ishlash tartibi quyidagicha: dastlab prosessor kesh-xotirada OXQ da kerakli dasturning nusxasini qidiradi. Agar nusxa bo’lsa (tushish), u holda OXQ ga murojaat qilish amalga oshmaydi, agar nusxa bo’lmasa (yanglishish), operativ xotiraga murojaat amalga osha boshlaydi. Operativ xotira o’zining n-bit manzilini 2ⁿ manzillashtirilgan so’zlardan iborat. Operativ xotiraning oralig’i har bir blokda K so’zlardan iborat qayd etilgan uzunlikdagi M bloklarga bo’linadi.
Kesh-xotira S bloklardan (satrlardan) tashkil topgan, ulardan har biri K so’zlardagi o’lchamli uzunligiga ega, ya’ni kesh xotiraning bitta satrida bitta operativ blok joylashadi, o’qishda operativ xotiraning bitta blokining nusxasi bitta kesh satriga ko’chiriladi. Operativ xotiraning sig’imi keshdagi satrlar sonidan ko’p bo’lgani uchun OXQ dan ma’lumotlar bloklari keshning bo’sh satrlariga joriy ish tartibida (masalani yechilishining umumiy algoritmi tomonidan beriladigan bajarilish ketma-ketligida) joylashadi.

9.3-rasm. Kesh-xotirani tashkil etish
Keshning bu satrida OXQ ning qaysi bloki joylashgani haqida ma’lumot TEG razryadida (blokning belgisi) mavjud bo’ladi. Tezkorlikni oshirish uchun KIS larni tayyorlashning zamonaviy texnologiyalaridan foydalanish tufayli kesh-xotira prosessor bilan bitta kristallda ishlab chiqariladi. Bunday ichki kesh-xotira statik OXQ texnologiyasi bo’yicha ishlatiladi va tezkor hisoblanadi. Uning sig’imi odatda 64-256 Kbaytni tashkil etadi, binobarin bu sig’imni keyingi oshirish, odatda, boshqarish sxemasini va manzilni deshefrasiyalashning murakkablashishiga olib keladi.
Shunday qilib, xotirani joylashtirishning birinchi darajasi eng tezkor hisoblanadi va prosessor chipidagi kristallida joylashtiriladi. Saqlanadigan axborotning hajmi bo’yicha birinchi daraja ikkinchi va uchinchi darajalarga nisbatan sezilarli darajada. Asosiy xotiraning bosh sig’imi ikkinchi darajali joylashtirishga to’g’ri keladi. Ikkinchi darajadagi xotiraning chiplari ona platada joylashadi va kompyuterning ichki xotirasi toifasiga kiritiladi.
Kompyuterning oldingi modellarida ikkinchi joylashtirish darajasi asosiy xotiraning ikki OXQ va OXQ elementlaridan tarkib topgan. Keyingi ikkinchi darajada sig’imi ichki prosessor L1 sig’imidan ancha katta bo’lgan ikkinchi darajali L2 kesh-xotira qo’yila boshlanadi. Texnologik jihatdan ikkinchi L2 kesh-xotira ichki prosessordagi L1 va OXQ orasida joylashadi. Bunday ikki darajali kesh-xotirada L2 sig’imi L1 dan katta emas, tezkorligi va narxi esa past.
Ikkinchi darajadagi kesh-xotira statik OXQ sifatida ishlatiladi. Uning sig’imi 256 Kbaytdan 1 Mbaytgacha bo’lishi mumkin. Texnik jihatdan L2 alohida mikrosxema sifatida ishlatiladi.
Xotiraga ruxsat etishda prosessor dastlab L1 ga murojaat qiladi. Yangilashishda L2 murojaat amalga oshadi. Agar axborot u yerda ham bo’lmasa, OXQ ga murojaat amalga oshadi va mos blok dastlab birinchi, keyin esa kesh-xotiraning ikkinchi darajasiga kiritiladi. Bunday prosedura tufayli, prosessor tez-tez so’raydigan axborot L2 ning ishlatilishi kompyuterning unumdorligini sezilarli yaxshilaydi. Aynan shuning uchun mikroprosessorlarning eng so’nggi turkumlarida ikki, hatto uchinchi darajali (L3) kesh-xotira qo’llaniladi. Misol uchun zamonaviy prosessor Pentinum IV 32 Kbaytli L1 kesh-xotira (buyruqlar uchun 16 Kbayt, ma’lumotlar uchun 16 Kbayt) va 512 Kbayt sig’imli ikkinchi darajali L2 kesh-xotiraga ega.
Ikkinchi darajali asosiy xotirada uning manzillashtiriladigan qismida operativ xotira qurilmasi OXQ va doimiy xotira qurilmasi OXQ joylashgan. Ular mikrosxemalar (chiplar) to’plami ko’rinishida kompyuterning ona platasiga joylashtiriladi va 30 ms (L2 uchun)dan 40 mks (OXQ uchun) vaqtgacha murojaat qilishga ega.
Asosiy xotiraning manzillashtiriladigan qismini ixtiyoriy ketma-ketlikda ishlaydigan mikrosxemalar tashkil etadi. Har bir xona noyob manzilga ega va ikkilik sonlar bitlariga mos qayd etilgan saqlovchi elementlar soniga ega bo’ladi. OXQ va DXQ ni qurish tamoyili va murojaat etish usuli o’xshash. Xotira sxemalarida 9.4,b-rasmda ko’rsatilgan xonalarni manzillashtirishning koordinatali tamoyili ishlatiladi.
Zamonaviy kompyuterlarning asosiy manzillashtiriladigan xotirasining sig’imi megabayt qiymatlarga yetadi, shuning uchun u texnologik jihatdan bir necha katta mikrosxemalar ko’rinishida ishlab chiqariladi, bunda OXQ yoki DXQ ning razryadini oshirishga bir necha xotira mirosxemalarini manzilli kirish bo’yicha birlashtirish hisobiga erishiladi.
OXQ asosiy xotirani tashkil etadigan mikrosxemalar to’plami xotira moduli deyiladi. 9.5-rasmda xotirani modulli tashkil etish sxemasi keltirilgan bo’lib, bu yerda M₀,M₁,....M_n modullarining bir necha mikrosxemalari A₀,...,A_n manzil kirishi va boshqarish (“Yozish”, “O’qish”) bo’yicha ulangan. Barcha modullar kirishlariga keladigan manzil kodi bo’yicha yoki berishga, yoki D₀,...,D_n chiqishlar orqali sonlarni kiritilganda ishlaydigan modullardan biri tanlanadi.
Bloklarga birlashtirilgan modullardan tashkil topgan operativ xotiraning soddalashtirilgan tuzilishi 9.6-rasmda tasvirlangan. Umumiy manzili oralig’ ketma-ket manzillar guruhlariga bo’lingan bo’lib, har bir guruh 0 dan 3 gacha bloklardan bittasiga joylashgan. Manzilning yettita (A₀...A₆) kichik razryadlari har bir bloklardan bitta xonaga tanlanadi. Ikkita katta razryadlar (A₆-A₇) yordamida malumotlarni o’qish yoki yozish uchun bloklardan birini tanlash amalga oshiriladi.Bunday tuzilish zarur malumotlarni yoki ularni qayerda joylashganini qidirishni tezlashtiradi.

9.5-rasm. Xotirani modulli tashkil etish
Uchinchi texnologik joylashtirish darajasi bu 100 mikrosekunddan 50 mikrosekundgacha murojaat qilish vaqtiga ega bo’lgan diskli to’plagichlardagi tashqi xotiradir. Kompyuterlarning oxirgi modellarida kesh-xotira konsepsiyasi qo’llanilgan va diskli to’plagichlarga nisbatan faqat murojaat etish usullari farqlanadi. Murojaat etish vaqti bo’yicha L3 kesh L2 xotiraga yutqazadi, chunki diskda axborotlarni qidirish uchun vaqt zarur. L3 ning sig’imi ancha katta va o’nlab megabaytlarni tashkil etadi, L3 va OX oralarida ma’lumot uzatishni diskli kesh-xotira kontrolleri taminlaydi.
L3 xotirada yaqin vaqtlarda katta ehtimollikda kutiladigan axborotlar bloklari saqlanadi. Qayta yuborish birligi sifatida disk sektori, bir necha sektorlar yoki yo’laklar bo’lishi mumkin.


9.6-rasm. Asosiy xotira strukturasi
Ko’plab turkum ishlab chiqarilgan diskli L3 lar diskli SD to’plagichlar tarkibiga interasiyalangan. Diskli kesh-xotira personal kompyuterlarda ham qo’llaniladi. Prosessorlarning oxiri modellarida (masalan, Itanium) L3 kesh ona platasiga integrallashgan va maxsus kartrijga joylashtirilgan.