Arvutid I - Vahemälu organiseerimine (0)

Vahemälu organiseerimine
Vahemälu ingliskeeles cache on mälu liik, mis hoiustab andmeid nende kiireks uuesti kasutamiseks. Vahemälust andmete lugemine on kiirem kui lähteandmete lugemine muutmälust (RAM) või kõvakettalt. Vahemälu kasutamise tulemusena väheneb korduvalt kasutatavate andmete lugemseks kulunud aeg ja suureneb üldine tulemuslikkus arvutisüsteemis.
Tööpõhimõte
Vahemälu on suure juurdepääsukiirusega mälu, mille eesmärk on saavutada vähima juurdepääsuajaga ligipääs andmetele, mis sisalduvad püsimälus (edaspidi "põhimälus"). Vahemälu kasutatakse keskprotsessoris (CPU), kõvaketastel, brauserites, veebiserverites, DNS-is ja WINS-is.
Vahemälu koosneb kirjete kogumist, mille iga kirje on seotud andmeühikuga või andmete blokiga (väikese osaga andmetest), mis on andmeühiku koopia püsimälus. Igal sissekandel on tunnus-ID, mis määratleb andmeühikute vastavuse vahemälus nende koopiatega põhimälus.
Kui vahemälu kasutaja (CPU, veebibrauser, operatsioonisüsteem) soovib andmeid, uuritakse kõigepealt vahemälu. Kui vahemälus leitakse kirje ID-ga, mis sobib otsitud andmeühiku ID-ga, siis kasutatakse andmeelementide vahemälu. Seda nimetatakse vahemälu tabamuseks (cache hit). Kui vahemälust ei leitud kirjet, mis sisaldab otsitud ID-d, siis loetakse see põhimälust vahemällu ja on sealt edaspidistel vahemälu otsingutel kättesaadav. Seda nimetatakse vahemälu möödalask (cache miss ). Vahemälust leitud tulemuste protsenti võrreldes päringutega nimetatakse cache tabamuse tasemeks või tabamuse koefitsiendiks.
Kui vahemälu maht on piiratud, siis möödalase puhul võib olla vastu võetud otsus loobuda mõnest salvestusest vaba ruumi tekitamiseks. Väljajäetava salvestuse valikuks kasutatakse erinevaid algoritmide väljasurumiseid. Kui modifitseeritakse vahemälu andmete osasid, toimub nende ajakohastamine põhimälus. Viivitust ajas vahemälu andmete muutmise ja põhimälu uuendamise vahel kontrollib niinimetatud “kirjete poliitika”.
Write-through vahemälus kutsub iga muudatus esile sünkroonse andmete uuendamise põhimälus.
Write-back vahemälu uuendamine toimub andmeelementide eemaldamisel perioodiliselt või kliendi päringu järel. Et jälgida modifitseeritud andmeelemente, säilitavad vahemälu kirjed modifitseerimise tunnuse (“muudetud”). Möödalask write-back cache'st võib nõuda kahte pöördumist põhimälu juurde: esiteks vahemälust andmeelementide üleskirjutamiseks, teiseks vajaliku andmeelemendi lugemiseks.
Arvutiprotsessori (CPU) vahemälu on tavaliselt jaotatud mitmeks tasandiks (Layer). Tavalises protsessoris võib olla kuni 3 tasandit . Vahemälu tasand N+1 on üldiselt mõõtmetelt suurem ja andmete kättesaadavuse ja andmeedastuse kiiruselt aeglasem , kui vahemälu tase N. Kõige kiirem mälu on esimese taseme vahemälu Layer1 või L1. Tegelikult on ta protsessori lahutamatu osa, kuna asub protsessoriga ühel ja samal kristallil ja kuulub funktsioneerivate blokkide koosseisu. Protsessorites on vahemälu L1 tavaliselt jagatud kaheks vahemäluks, käskude (juhised) vahemälu ja andmete vahemälu (Harvardi arhitektuur). Enamik protsessoreid ei saa ilma L1 vahemäluta töötada. L1 vahemälu töötab protsessori sagedusel ja üldjuhul võib pöördumine tema poole toimuda iga takti ajal. Paljudel juhtudel on võimalik läbi viia mitu loe/kirjuta toimingut samaaegselt. Juurdepääsu latentsus võrdub tavaliselt 2–4 tuuma takti. Maht on tavaliselt väike – alla 128 kB.
Kiiruselt teine on L2-vahemälu – teise taseme vahemälu. Tavaliselt asub ka see kristallil nagu L1. Vanades protsessorites on mikroskeemid emaplaadil. L2 maht on alates 128 kB kuni 12 MB või rohkem. Tänapäevastes multi- core protsessorites teise tasandi vahemälu, asudes samal kristallil ja on eraldi kasutatav mälu, kus vahemälu maht võrdub nM MB ja iga tuuma vahemähe on nM/nC MB, kus nC võrdub protsessori tuumade arvuga. Üldiselt tuuma kristallil paikneva L2 vahemälu moodustab 8 kuni 20 tuuma takti.
Kolmanda taseme vahemälu on kõige väiksema kiirusega, kuid võib olla väga muljetavaldava suurusega – rohkem kui 24 MB. L3 vahemälu on aeglasem kui eelnimetatud, kuid siiski tunduvalt kiirem muutmälust. Mitmeprotsessorilistes süsteemides on üldkasutatav ja mõeldud erinevate andmete sünkroniseerimiseks L2 vahemällu.
Mõnikord on olemas ka neljas vahemälu tasand, mis asub tavaliselt eraldi mikrokiibil. Neljanda tasandi vahemälu on õigustatud ainult suure jõudlusega serverites ja suurarvutites.
Erinevate vahemälude sünkroonimise probleemid (nii ühe kui ka mitme protsessori puhul) lahendab vahemälu koherentsus (cache coherence). On olemas kolm infovahetuse võimalust erinevate vahemälude tasandite vahel, või nagu öeldakse, vahemälu arhitektuuri: inklusiivne, eksklusiivne ja mitteeksklusiivne. Inklusiivne arhitektuur eeldab ülemise tasandi vahemälu info dubleerimist alumises tasandis (eelistab Intel). Eksklusiivne vahemälu eeldab erinevatel tasanditel oleva informatsiooni unikaalsust (AMD). Mitteeksklusiivses võivad vahemälud käituda nagu soovivad. Joonis 1 - Andmete sisestamise, talletamise ja töötlemise püramiid