خانه / مقالات / الکترونیک / نگاشت کش(حافظه پنهان) و انوع نگاشت های کش چیست؟
نگاشت کش (حافظه پنهان)

نگاشت کش(حافظه پنهان) و انوع نگاشت های کش چیست؟

در این مقاله در مورد انواع نگاشت های حافظه کش (نگاشت مستقیم ، نگاشت کاملا انجمنی ، نگاشت انجمنی جمعی) صحبت خواهیم کرد؛ از این رو اگر با اصطلاحات و واژگانی حافظه کش (حافظه پنهان)، سطوح حافظه کش ، حافظه های DRAM ، حافظه های SRAM ، حافظه های eDRAM ، حافظه های eSRAM و مفهایم مرتبط با آن‌ها آشنا نیستید و در مورد آن‌ها اطلاعی ندارید، می‌توانید به لینک‌های زیر مراجعه کنید.

1-1 نگاشت حافظه پنهان [1] (کش)

اگر یک آدرس مشخصی در داخل کش قرار دارد، پردازنده‌ و سیستم‌های کنترلی حافظه‌ی کش می‌بایست به سرعت آن آدرس را تشخیص دهد. در حال حاضر پیکربندی‌های حافظه‌ پنهان (کش) همچنان در حال توسعه است، اما به طور کلی حافظه‌‌های پنهان با سه پیکربندی سنتی کار می‌کنند؛ منظور از پیکربندی سنتی، یعنی سه روش محبوب از نگاشت آدرس‌های حافظه‌ای که برای آدرس‌دهی بلوک‌های ‌حافظه‌ استفاده می‌شوند، این سه روش عبارتند از:

کش با نگاشت مستقیم [2]: برای هر آدرس یک فضای بخصوصی در کش در نظر گرفته شده است.

کش با نگاشت کاملا انجمنی [3]: برای هر آدرس، پردازنده باید کل حافظه‌ی کش را جستجو کند. در این نگاشت داده‌ها به صورت کاملا تصادفی در حافظه‌ی کش قرار می‌گیرند و ذخیره می‌شوند.

کش با نگاشت انجمی جمعی [4]: برای هر آدرس مجموعه‌هایِ کوچکی از بلوک حافظه‌ایِ کش در نظر گرفته شده است. این نگاشت ترکیبی از نگاشت مستقیم و نگاشت کاملا انجمنی است. در این نگاشت، پردازنده، آدرس‌ها را فقط در یکی از مجموعه‌های کوچکی (یا Sets) از بلوک‌های حافظه‌ای جستجو می‌کند.

1-1- نگاشت مستقیم Direct Mapping :

در این روش برای پیاده سازی cache از یک حافظه SRAM سریع استفاده میشود:

اگر حافظه اصلی دارای 2s کلمه و حافظه cache دارای 2rکلمه باشند در نتیجه به ترتیب به n و k بیت آدرس نیاز خواهند داشت. آدرس  n بیتی حافظه اصلی بصورت زیر تقسیم می‌شود (شکل1‑1)

نگاشت کش مستقیمشکل‏1‑1 آدرس‌دهی و تعداد بیت‌های لازم در نگاشت مستقیم توسط پردازنده

وقتی که آدرسی توسط CPU تولید میشود با استفاده از قسمت Index آن یک کلمه از حافظه cache خوانده شده و مقدار Tag ذخیره شده در آن با مقدار Tag آدرس مقایسه می‌گردد. اگر دو Tag یکسان بودند داده همانند شکل ‏1‑2، کش مورد استفاده قرار می‌گیرد و به عبارتی Hit انجام می‌شود در غیر اینصورت Miss انجام شده و داده از حافظه خوانده شده و همراه با Tag جدید در cache نوشته می‌شود. در این روش اگر رجوع به آدرسها با index ِ یکسان، زیاد اتفاق بیافتد، درصد موفقیت پایین میاید.

نگاشت کش مستقیم و جستجوی داده در نگاشت مستقیم توسط پردازنده و کش آنشکل1‑2 جستجوی داده در نگاشت مستقیم توسط پردازنده و کش آن

1-2- نگاشت کاملا انجمنی Associate Mapping :

در این روش که سریعترین راه پیاده سازی یک کش است، از یک حافظه associative استفاده می‌شود. در این حافظه هم آدرس و هم محتوی یک کلمه ذخیره می‌شوند. در نتیجه کش می‌تواند محتوای هر محل از حافظه را ذخیره نماید. (شکل ‏1‑3)

هنگام جستجو برای یک داده آدرس آن به حافظه associative عرضه می‌شود. در صورتیکه ورودی متناظری در حافظه باشد، داده مربوطه در خروجی ظاهر می‌گردد. در غیر اینصورت هر دو آدرس و داده در حافظه associative ذخیره خواهند شد. معمولا از الگوریتم FIFO (فی‌فو)[5] برای جایگزینی در کش استفاده می‌شود.

نگاشت کش و آدرس دهی نگاشت کاملا انجمنی توسط پردازندهشکل‏1‑3 آدرس‌دهی و نگاشت کاملا انجمنی توسط پردازنده

1-3- نگاشت Set-associative mapping :

در این روش هر محلی از حافظه‌ی کش می‌تواند چندین کلمه با آدرس Index یکسان را ذخیره نماید. تعداد data-tag های ذخیره شده در حافظه یک set خوانده می‌شود. برای مقایسه tag آدرس تولید شده با مقادیر ذخیره شده از حافظه associative استفاده می‌شود. (شکل ‏1‑4) با بزرگ شدن set ها درصد موفقیت کش افزایش می‌یابد.

نگاشت کش و آدرس‌دهی و تعداد بیت‌های لازم در نگاشت انجمنی جمعی توسط پردازنده ها
شکل‏1‑4 آدرس‌دهی و تعداد بیت‌های لازم در نگاشت انجمنی جمعی توسط پردازنده

به حالتی که داده‌ی مورد نیاز پردازنده پیشاپیش روی کش موجود باشد و پردازنده آن را پیدا کند اصطلاحاً برخورد [6] کش می‌گویند. البته برخی اوقات برعکس اتفاق فوق نیز رخ می‌دهد، به عبارتی وقتی پردازنده به کش مراجعه می‌کند، داده‌های مورد نیاز خود را پیدا نمی‌کند در این صورت پردازنده باید داده‌های مربوطه را از حافظه‌ی رم به داخل کش خود بارگذاری کند. در این شرایط به اصطلاح ”نخوردن [7] کش“ رخ داده است. اما منظور از درصد موفقیت کش، به معنی درصد یا تعداد دفعاتی است که در هنگام مراجعه به کش، داده‌ی مورد نیاز در داخل کش وجود داشته باشد که به اصطلاح به آن نرخ برخورد [8] نیز می‌گویند؛ به عبارتی دیگر هر چه نرخ برخورد بالاتر باشد، در صد موفقیت بالاتر می‌رود.

برای دسترسی به داده‌های داخل کش و همچنین برای خواندن [9] ، نوشتن [10] و بالانویسی [11] داده‌ها بر روی حافظه‌‌های کش، الگوریتم‌ها و کنترل کننده‌های متعددی استفاده شده است. برای اطلاعات بیشتر می‌توانید به مراجع کتاب‌های درسی ریزپردازنده و معماری کامپیوتر مراجعه کنید.

زیرنوشت

[1] Cache memory mapping

[2] Direct Mapping

[3] Fully associative mapping

[4] Set associative mapping

[5] First in first out

[6] Hit cache

[7] Miss cache

[8] Hit Rate

[9] Read

[10] Write

[11] Overwrite

کپی و نشر این پست با ذکر منبع بلامانع است.

INeee.ir

کانال تلگرام

درباره ی حنیف فروزانی

حنیف
حنیف فروزانی، مهندس برق در گرایش الکترونیک دیجیتال می‌باشد. وی در حوزه‌ی انرژی‌های نو و تجدیدپذیر و پیاده‌سازی سامانه‌های اتوماسیون مبتنی بر PLCها فعال است.

همچنین ببینید

حافظه های eDRAM اینتل

حافظه های eDRAM (کش L4) چیست و تفاوت آن با DRAM و SRAM ؟

در این مقاله در مورد حافظه های eDRAM ، eSRAM ، DRAM ، SRAM (کش …

عضویت
اطلاع رسانی کن از
guest

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

0 Comments
بازخورد درون خطی
مشاهده همه نظرات
طراحی سایت
0
سوال یا پیشنهادی دارید؟ لطفاً کلیک کنید.x
()
x