Введення
Вперше слово «кеш» у комп'ютерному контексті було використано в 1967 році під час підготовки статті для публікації в журналі «IBM Systems Journal». Стаття стосувалася удосконалення пам'яті в розробляється моделі 85 із серії IBM System/360. Редактор журналу Лайл Джонсон попросив придумати більш описовий термін, ніж «високошвидкісний буфер», але через відсутність ідей сам запропонував слово «кеш». Стаття була опублікована в початку 1968 року, автори були премійовані IBM, їхня робота набула поширення і згодом була покращена, а слово «кеш» скоро стала використовуватися в комп'ютерній літературі як бщепрінятий термін.
Пам'ять обчислювальної машини є ієрархією запам'ятовуючих пристроїв (внутрішні регістри процесора, різні типи сверхоперативной і оперативної пам'яті, диски, стрічки), що відрізняються середнім часом доступу і вартістю зберігання даних у розрахунку на один біт. Користувачеві хотілося б мати і недорогу і швидку пам'ять. Кеш-пам'ять являє деякий компромісне вирішення цієї проблеми.
Рис. Ієрархія ЗУ
Діаграма кеша пам'яті ЦПУ
Кеш - це пам'ять з більшою швидкістю доступу, призначена для прискорення звернення до даних, що містяться постійно в пам'яті з меншою швидкістю доступу (далі «основна пам'ять»). Кешування застосовується ЦПУ, жорсткими дисками, браузерами і веб-серверами.
Кеш складається з набору записів. Кожен запис асоційована з елементом даних або блоком даних (невеликої частини даних), яка є копією елемента даних в основній пам'яті. Кожен запис має ідентифікатор, що визначає відповідність між елементами даних в кеші і їх копіями в основній пам'яті.
Коли клієнт кеша (ЦПУ, веб-браузер, операційна система) звертається до даних, насамперед досліджується кеш. Якщо в кеші знайдена запис з ідентифікатором, що збігається з ідентифікатором затребуваного елемента даних, то використовуються елементи даних в кеші. Такий випадок називається попаданням кеша. Якщо в кеші, не знайдено записів, що містять викликана елемент даних, то він читається з основної пам'яті в кеш, і стають доступним для подальших звернень. Такий випадок називається промахом кеша. Відсоток звернень до кешу, коли в ньому знайдений результат, називається рівнем влучень або коефіцієнтом попадань в кеш.
Наприклад, веб-браузер перевіряє локальний кеш на диску на наявність локальної копії веб-сторінки, відповідної запрошенням URL. У цьому прикладі URL - це ідентифікатор, а вміст веб-сторінки - це елементи даних.
Якщо кеш обмежений в обсязі, то при промаху може бути прийнято рішення відкинути деякий запис для звільнення простору. Для вибору відкидаємо запису використовується так званий алгоритм витіснення (див. Алгоритми витіснення).
При модифікації елементів даних в кеші виконується їх оновлення в основній пам'яті. Затримка в часі між модифікацією даних у кеші та оновленням основної пам'яті управляється так званої політикою запису.
У кеші з негайною записом кожна зміна викликає синхронне оновлення даних в основній пам'яті.
У кеші з відкладеним записом (або зворотним записом) оновлення відбувається у випадку витіснення елемента даних, періодично або за запитом клієнта. Для відстеження модифікованих елементів даних записи кеша зберігають ознака модифікації (змінений або «брудний»). Промах в кеші з відкладеним записом може зажадати два звернення до основної пам'яті: перше для запису замінних даних з кеша, друге для читання необхідного елемента даних.
У випадку, якщо дані в основній пам'яті можуть бути змінені незалежно від кеша, то запис кеша може стати неактуальною. Протоколи взаємодії між кешами, які зберігають узгодженість даних, називають протоколами когерентності кеша.
Кеш-пам'ять - це спосіб організації спільного функціонування двох типів запам'ятовуючих пристроїв, що відрізняються часом доступу і вартістю зберігання даних, який дозволяє зменшити середній час доступу до даних за рахунок динамічного копіювання в швидке ЗУ найбільш часто використовуваної інформації з повільного ЗУ.
Рис.
Кеш-пам'яттю часто називають не тільки спосіб організації роботи двох типів запам'ятовуючих пристроїв, а й один з пристроїв - швидке ЗУ. Воно коштує дорожче і, як правило, має порівняно невеликий обсяг. Важливо, що механізм кеш-пам'яті є прозорим для користувача, який не повинен повідомляти ніякої інформації про інтенсивність використання даних і не повинен ніяк брати участь у переміщенні даних з ЗУ одного типу в ЗУ іншого типу, все це робиться автоматично системними засобами.
Архітектура сучасних 32-розрядних процесорів включає ряд засобів кешування пам'яті: два рівні кешу інструкцій і даних (L1 Cache і L2 Cache), буфери асоціативної трансляції (TLB) блоку сторінкової переадресації та буфери запису. ...
