3 Arbeitsspeicher- und Bussysteme

C3.2 Caches 215
Virtuelle Adressierung wird aus diesen Überlegungen überwiegend bei prozessorinternen
Befehls-Caches eingesetzt.
Bei sog. physischen Caches muß erst der Vorgang der Adreßumsetzung abgewartet
werden, bis das Vorliegen des referenzierten Wortes im Cache an Hand der realen Adresse
geprüft werden kann. Allerdings sind physische Caches bezüglich der Dateninkonsistenz
wesentlich günstiger. Beispielsweise kann eine DMA-Einheit für die Konsistenz zwischen
Haupt- und Cache-Speicher sorgen, da beide real adressiert sind. Ebenso kann in
einem Multiprozessorsystem die Kohärenz mehrerer Caches sichergestellt werden (Verweis
auf Volkert). Reale Adressierung ist daher meist bei prozessorexternen Caches vorzufinden.
3.2.4 Organisationsformen
Die Organisationsform eines Caches legt fest, in welchem Cache-Block ein Hauptspeicherblock
abgelegt wird (Plazierungsproblem; mapping problem) und wie ein gewünschter
Block im Cache aufzufinden ist (Identifikationsproblem; identification problem).
Drei Organisationsformen sind gebräuchlich: direkte Abbildung (direct mapped), voll assoziative
Abbildung (fully associative) und n-fach assoziative Abbildung (n-way set associative
cache). Bild 3 verdeutlicht für diese Möglichkeiten beispielhaft, wo ein Hauptspeicherblock
im Cache gespeichert werden kann.
Blocknummern
0
1
2
3
4
5
6
7
Direkte
Abbildung
Vollassoziative
Abbildung
0
1
2
3
4
5
6
7
Caches
2-fach assoziative
Abbildung
0
1
Satz 0
2
3
Satz 1
4
5
Satz 2
6
Satz 3
7
Bild 3 Plazierung eines Hauptspeicherblocks für die drei Cache-Organisationsformen
. . . . .
. . . . .
Hauptspeicher
In einem direkt abbildenden Cache mit einer Kapazität von N Blöcken wird ein Hauptspeicherblock
B im Cache-Block B mod N gespeichert. In einem voll assoziativen Cache
kann ein Hauptspeicherblock in jede Cache-Zeile übernommen werden. Ein n-fach assoziativer
Cache ist in M = N/n sog. Sätze (sets) mit jeweils n Blöcken untergliedert; Block
B kann im Satz B mod M in jeder der darin enthaltenen n Cache-Zeilen abgelegt werden.
Damit ist die n-fach assoziative Abbildung die allgemeine Organisationsform, die mit
n=N (nur ein Satz) zur vollassoziativen und mit n=1 (M=N Sätze) zur direkten (auch: einfach
assoziativen) Form wird.
Jeder Cache-Zeile ist eine große Anzahl von Hauptspeicherblöcken zugeordnet, d.h., es
können verschiedene Hauptspeicherblöcke in einer Cache-Zeile gespeichert werden.
Daher wird ein Mechanismus benötigt, der einen Hauptspeicherblock eindeutig kennzeichnet
und seine Identifikation im Cache erlaubt. Dies wird im weiteren für den allgemeinen
Fall eines n-fach assoziativen Caches erläutert.
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