Модель учебной ЭВМ

  В общем  виде использование кэш-памяти поясним  следующим образом. Когда ЦП пытается прочитать слово из основной памяти, сначала осуществляется поиск копии  этого слова в кэше. Если такая  копия существует, обращение к  ОП не производится, а в ЦП передается слово, извлеченное из кэш-памяти. Такая  ситуация называется кэш-попаданием. При  отсутствии слова в кэше, то есть при  кэш-промахе, требуемое слово  передается в ЦП из основной памяти, но одновременно из ОП в кэш-память пересылается блок данных, содержащий это слово.

  На  эффективность применения кэш-памяти в иерархической системе памяти наиболее существенно влияют:

• емкость кэш-памяти;
• размер строки;
• способ отображения основной памяти на кэш-память;
• алгоритм замещения информации в заполненной кэш-памяти;
• алгоритм согласования содержимого основной и кэш-памяти;
• число уровней кэш-памяти.

  К программной  модели учебной ЭВМ может быть подключена программная модель кэш-памяти, реализация которой отображена на рисунке 13. Кэш-память содержит N ячеек (в модели N может выбираться из множества {4, 8, 16, 32}), каждая из которых включает трехразрядное  поле тега (адреса ОЗУ), шестиразрядное поле данных и три однобитовых  признака (флага):

  Z – признак занятости ячейки;

  U – признак использования;

  W – признак записи в ячейку.

  Таким образом, каждая ячейка кэш-памяти может  дублировать одну любую ячейку ОЗУ, причем отмечается ее занятость (в начале работы модели все ячейки кэш-памяти свободны, Z_i = 0), факт записи информации в ячейку во время пребывания ее в кэш-памяти, а также использование ячейки (т. е. любое обращение к ней).

 

Вариант задания:

Пояснение к варианту задания:

  Последовательность  состояний кэш-памяти размером 4 ячейки при  однократном выполнении программы (команды 1-7):

RD #85       ADD 18

WR 14       CALL 006

WR @14      RET

WR @13

 

   Последовательность  микрокоманд при  выполнении команды wr с отметкой тех  микрокоманд, в которых  возможна модификация  кэш-памяти: 

  Для варианта кэш-памяти размером 8 ячеек – последовательность номеров замещаемых ячеек кэш-памяти для второго варианта параметров кэш-памяти при двукратном выполнении программы (команды 1-7):

RD #85       ADD 18

WR 14       CALL 006

WR @14      RET

WR @13

Задание №8

Алгоритмы замещения строк кэш-памяти

  Цель  работы – изучение влияния параметров кэш-памяти и выбранного алгоритма замещения на эффективность работы системы.

Теоретические положения:

  Оценка  эффективности работы системы с  кэш-памятью определяется числом кэш-попаданий  по отношению к общему числу обращений к памяти. Учитывая разницу в алгоритмах записи в режимах сквозной и обратной записи, эффективность использования кэш-памяти вычисляется по следующим выражениям (соответственно для сквозной и обратной записи): 
 

где:

    К – коэффициент эффективности работы кэш-памяти;

     – общее число обращений к памяти;

    – число кэш-попаданий;

    – число сквозных записей при кэш-попадании (в режиме сквозной записи);

     – число обратных записей (в режиме обратной записи).

  Очевидно, эффективность работы системы с  кэш-памятью будет зависеть не только от параметров кэш-памяти и выбранного алгоритма замещения, но и от класса решаемой задачи. Так, линейные программы  должны хорошо работать с алгоритмами  замещения типа очередь, а программы с большим числом условных переходов, зависящих от случайных входных данных, могут давать неплохие результаты с алгоритмами случайного замещения. Можно предположить, что программы, имеющие большое число повторяющихся участков (часто вызываемых подпрограмм и/или циклов) при прочих равных условиях обеспечат более высокую эффективность применения кэш-памяти, чем линейные программы. И, разумеется, на эффективность напрямую должен влиять размер кэш-памяти.

 

Результат моделирования программы  из лабораторной работы №2:

 

Результат моделирования программы  из лабораторной работы №4:

 

 

Заключение

  После ознакомления с моделью учебной  ЭВМ ко мне пришло чёткое понимание  особенностей работы языков Ассемблера. Я целиком и полностью освоил базовые понятия архитектуры ЭВМ, такие как: система команд, командный цикл, способы адресации, уровни памяти, способы взаимодействия процессора с внешними устройствами.

  Задания были различного уровня, позволяющие  ознакомится с моделью учебной  ЭВМ со всех сторон.

  После выполнения заданий № 1-4 я получил первичное ознакомление с архитектурой процессора, системой команд, способами адресации и основными приемами программирования на машинно-ориентированном языке. После пятого задания я понял, как реализован командный цикл процессора на уровне микроопераций. Шестое задание помогло мне разобраться в способах организации связи процессора с внешними устройствами. Об организации кэш-памяти и эффективности различных алгоритмов замещения я узнал из 7 и 8 задания.

  По  факту успешного выполнения всех работ, считаю, курс пройден мной успешно и добросовестно. 

Список  литературы

1. Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ. – СПб.: БХВ-Петербург,2006. 320 с.
2. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 5-е изд. – СПб.: Питер, 2007. – 844 с.
3. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем. – СПб.: Питер, 2004. – 868 с.
4. Юров В.И. Assembler. – СПб.: Питер, 2003.