Мавзу: микроконтроллерни ташкиллаштириш режа

4.3.Кэш-ҳотирани ташкиллаштириш
Кэш-ҳотира (ёки оддий қилиб кэш дейиш мумкун, инглизчадан Cache - омбор, бекитиқчи жой) – вазифаси, тизимли ҳотирадаги ахборотни вақтинча сақлаш учун яъни унинг мақсади сақланган ахборотга эга бўлишни осонлаштириш ҳамда процессор билан тизимли ҳотира ўртасидаги ахборот алмашув вақтини тежашдан иборат. Тезлаштириш тезкор ҳотирани ишлатиш ва ахборотга тез эга бўлишни қўллаш эвазига эришилади. Кэш-ҳотирада доимо янгиланиб турувчи асосий ҳотиранинг бази худудининг нусхаси сақланади.
Кэш-хотранинг киритилиш сабаби қуйдагидан иборат, шахсий компьютернинг тизимли ҳотираси динамик ҳотира микросхемаларида амалга оширилган бўлиб, у арзонлиги билан ажралиб туради, лекин тезлиги статик ҳотирага қараганда анча кам. Ғоя шундан иборатки, тезкор оралиқ статик ҳотира буферини киритиш орқали, секин ишлайдиган динамик ҳотира тезлигини ошириш мумкун бўлишидир. Маъно жихатидан, кэш-ҳотира олдин киритилиб қўлланилган буйруқлар конвейерининг ишини анча юқори даражада бажаради. Кэш-ҳотирада тизимли ҳотирани бази худудининг нусхаси сақланади ва процессор ҳотиранинг бу қисми билан алмашувни тизимли ҳотирага қараганда анча тез амалга оширади. Кэш-ҳотирада буйруқлар ва шунингдек ахборотлар ҳам сақланади.
Кэш-ҳотирани ишлатилиши туфайли тезликдан ютилишининг сабаби, процессор кўпчилик ҳолларда кетма-кет, бири иккинчисидан кейин келган ёки бир-бирига яқин бўлган ҳотира манзилларига мурожат қилади. Шунинг учун унча катта бўлмаган кэш-ҳотира ичида шу манзиллардаги ахборотларнинг бўлиш эхтимоли юқори. Агарда процессор олдин мурожат қилган манзиллардан узоқда бўлган манзилга мурожат қилса, кэш фойдасиз бўлиб қолади ва қайта юкланиш талаб этилади, бунда эса ҳатто кэшсиз таркибга қараганда алмашув секинроқ бўлиши мумкун.
Шундек қилиб, кэш – ҳотира – бу буфер туридаги тезкор ҳотира бўлиб, оператив ҳотирадан тўлдирилади. Кэш-ҳотира микропроцессор тизимиларидаги бошқа ҳотира турига қараганда минимал эга бўлиш вақтига эга ва унда процессор учун яқин вақтда керак бўладиган ахборотларни сақлаш учун ишлатилади.
Кэш-ҳотира ички (процессор таркибига кирган) бўлиши мумкун ва шунингдек ташқи ҳам бўлиши мумкун. Ички кэш-ҳотира биринчи босқич кэши деб аталади, ташқиси эса – иккинчи босқич кэши деб юритилади. Ички кэш ҳажми унчалик катта эмас. Ташқи кэшнинг сиғими бир неча мегабайтни ташкил қилиши мумкун. Аммо уларнинг ишлаш тамоили бир ҳил. Учинчи босқич кэш-ҳотираси – бу статик оператив ҳотира қурилмаси (ОХҚ), унинг сиғими бир неча мегабайтни ташкил этади ва динамик ОХҚ нисбаттан анча тез ишлайди.
Одатда биринчи босқич кэш-ҳотирасига ахборотларни иккинчи босқич кэш-ҳотирасидан чақиртирилади, иккинчи босқич кэш-ҳотирасига эса ахборотларни учинчи босқич кэш-ҳотирасидан чақиртирилади.
Кэш-ҳотиранинг барча турларида қуйидаги модел ишлатилади: ҳотира маълум ўлчамдаги блокларга тақсимланади, улар кэш-ҳотира қаторлари деб аталади. Кэш-ҳотира қатори бир неча кетма-кетликдаги байтлардан ташкил топган (одатда 4 байтдан 64 байтгачан). Кэш-ҳотирага мурожат бўлганда, кэш-ҳотира контроллери ушбу вақтда кэш-ҳотирада керакли сўз (ахборот) борлигини текширади. Агарда бор бўлса (кэш-мўлжалга олди ҳолати ҳосил бўлади), у ҳолда вақтни тежаш мумкун ва оператив ҳотира қурилмасига мурожат қилинмайди. Агарда ушбу сўз кэш-ҳотирада бўлмаса (кэш-мўлжалга олаолмади ҳолати ҳосил бўлади), у ҳолда эса қайсидир қатор кэшдан олиб ташланади, унинг ўрнига керакли қатор кэш-ҳотиранинг пастги босқичдан олиб жойлаштирилади ёки оператив ҳотирадан олиб ёзилади.
Тўғри акс эттирувчи кэш – ҳотира. Тўғри акс эттирувчи кэш – ҳотира кэш-ҳотира турининг энг оддий турига тегишли. 4.4-чизмада 32 байтли 1024 блоқдан иборат бўлган бир босқичли кэш-ҳотирага мисол қелтирилган.
Кэш-ҳотиранинг ҳар бир элементи уч қисмдан ташкил топган:
1.Tаg (тасма) майдонида манзил ҳотирасининг катта 17 разряди жойлашади, у бўйича ахборотлар блоки келади (блок манзили).
2.Valid майдони (хақиқий) ахборотларни ҳақиқийлиги ҳақидаги маълумотлар сақлайди.
3.Block майдони ҳотирадаги ахборотлар блокининг нусхасини сақлайди.



4.4-чизма. Тўғри акс эттирувчи кэш
Тўғри акс эттирувчи кэш-ҳотирада ушбу блок фақат бир жойда блок номери бўйича сақланиши мумкун. Процессор ҳотира манзилини берганда, кэш-ҳотира контроллери бу манзилдан 10 битли блок номерини беради ва уларни кэш-ҳотирадан 1024 элементдан бирини қидириш учун ишлатади. Агарда бу элемент хақиқий бўлса, у ҳолда Tаg майдон манзили ва кэш-ҳотира Tаg майдони солиштириш амалга оширилади. Агарда майдонлар тенг бўлса, у ҳолда кэш-мўлжалга олди ҳолати ҳосил бўлади, разрядлари мос келмаганда эса – кэш-мўлжалга олаолмади ҳолати ҳосил бўлади. Кэш-мўлжалга олди ҳолати бўлганда кэш-ҳотирадан сўз ўқилади. Кэш-мўлжалга олаолмади ҳолатида ёки хақиқий эмасликда ҳотирадан блок чақирилади ва кэш ҳотирада сақланади, яъни у жойда бўлган блокни ўрнига ўзгартирилади.
Тўғри акс эттирувчи кэш-ҳотирада бир ҳил номли ахборотлар блоки кэш-ҳотирадаги бир худудни эгаллаш хуқуқи учун рақобатлашадилар. Бу муаммони ҳал қилиш учун қуйидаги тадбирни амалга ошириш керак бўлади, бир ҳил номли блоклар кэш-ҳотиранинг бир неча жойига (кўплик) жойлаштирилиши керак. Бундек ҳотира олдингисига нисбаттан мураккаброқ, чунки керакли блок борлигини билиш учун барча кўпликни текшириш талаб этилади. Манзиллар тегларини сақлаш учун ҳотира ассоциатив ҳотира каби жорий этилади, бу эса блок жойлашган жойни қидиришда кўп такрорланишни йўқ қилиш имконини беради.