Обычно в запоминающих устройствах доступ к информации требует указания адреса ячейки. Однако значительно удобнее искать информацию не по адресу, а опираясь на какой-нибудь характерный признак, содержащийся в самой информации. Такой принцип лежит в основе ЗУ, известного как ассоциативное запоминающее устройство (АЗУ). В литературе встречаются и иные названия подобного ЗУ: память, адресуемая по содержанию (content addressable memory); память, адресуемая по данным (data addressable memory); память с параллельным поиском (parallel search memory); каталоговая память (catalog memory); информационное ЗУ (information storage); тегированная память (tag memory).

Ассоциативное ЗУ – это устройство, способное хранить информацию, сравнивать ее с некоторым заданным образцом и указывать на их соответствие или несоответствие друг другу.

В отличие от обычной машинной памяти (памяти произвольного доступа или RAM), в которой пользователь задает адрес памяти и ОЗУ возвращает слово данных, хранящееся по этому адресу, АП разработана таким образом, чтобы пользователь задавал слово данных, и АП ищет его во всей памяти, чтобы выяснить, хранится ли оно где-нибудь в нем. Если слово данных найдено, АП возвращает список одного или более адресов хранения, где слово было найдено (и в некоторых архитектурах, также возвращает само слово данных, или другие связанные части данных). Таким образом, АП - аппаратная реализация того, что в терминах программирования назвали бы ассоциативным массивом.

Ассоциативный признак– признак, по которому производится поиск информации.

Признак поиска– кодовая комбинация, выступающая в роли образца для поиска.

Ассоциативный признак может быть частью искомой информации или дополнительно придаваться ей. В последнем случае его принято называть тегом или ярлыком.

Структура ассоциативного ЗУ

АЗУ включает в себя:

• запоминающий массив для хранения N m-разрядных слов, в каждом из которых несколько младших разрядов занимает служебная информация;
• регистр ассоциативного признака, куда помещается код искомой информации (признак поиска). Разрядность регистра k обычно меньше длины слова т ;
• схемы совпадения, используемые для параллельного сравнения каждого бита всех хранимых слов с соответствующим битом признака поиска и выработки сигналов совпадения;
• регистр совпадений, где каждой ячейке запоминающего массива соответствует один разряд, в который заносится единица, если все разряды соответствующей ячейки совпали с одноименными разрядами признака поиска;
• регистр маски, позволяющий запретить сравнение определенных битов;
• комбинационную схему, которая на основании анализа содержимого регистра совпадений формирует сигналы, характеризующие результаты поиска информации.

При обращении к АЗУ сначала в регистре маски обнуляются разряды, которые не должны учитываться при поиске информации. Все разряды регистра совпадений устанавливаются в единичное состояние. После этого в регистр ассоциативного признака заносится код искомой информации (признак поиска) и начинается ее поиск, в процессе которого схемы совпадения одновременно сравнивают первый бит всех ячеек запоминающего массива с первым битом признака поиска. Те схемы, которые зафиксировали несовпадение, формируют сигнал, переводящий соответствующий бит регистра совпадений в нулевое состояние. Так же происходит процесс поиска и для остальных незамаскированных битов признака поиска. В итоге единицы сохраняются лишь в тех разрядах регистра совпадений, которые соответствуют ячейкам, где находится искомая информация. Конфигурация единиц в регистре совпадений используется в качестве адресов, по которым производится считывание из запоминающего массива. Из-за того что результаты поиска могут оказаться неоднозначными, содержимое регистра совпадений подается на комбинационную схему, где формируются сигналы, извещающие о том, что искомая информация:

• а0 – не найдена;
• а1 – содержится в одной ячейке;
• а2 – содержится более чем в одной ячейке.

Формирование содержимого регистра совпадений и сигналов a0, a1, а2 носит название операции контроля ассоциации. Она является составной частью операций считывания и записи, хотя может иметь и самостоятельное значение.

При считывании сначала производится контроль ассоциации по аргументу поиска. Затем, при а0=1 считывание отменяется из-за отсутствия искомой информации, приa1=1 считывается слово, на которое указывает единица в регистре совпадений, а при а2=1 сбрасывается самая старшая единица в регистре совпадений и извлекается соответствующее ей слово. Повторяя эту операцию, можно последовательно считать все слова.

Запись в АП производится без указания конкретного адреса, в первую свободную ячейку. Для отыскания свободной ячейки выполняется операция считывания, в которой не замаскированы только служебные разряды, показывающие, как давно производилось обращение к данной ячейке, и свободной считается либо пустая ячейка, либо та, которая дольше всего не использовалась.

Главное преимущество ассоциативных ЗУ определяется тем, что время поиска информации зависит только от числа разрядов в признаке поиска и скорости опроса разрядов и не зависит от числа ячеек в запоминающем массиве.

Общность идеи ассоциативного поиска информации отнюдь не исключает разнообразия архитектур АЗУ. Конкретная архитектура определяется сочетанием четырех факторов:

1. вида поиска информации;
2. техники сравнения признаков;
3. способа считывания информации при множественных совпадениях;
4. способа записи информации.

В каждом конкретном применении АЗУ задача поиска информации может формулироваться по-разному.

Виды поиска информации :

• Простой (требуется полное совпадение всех разрядов признака поиска с одноименными разрядами слов, хранящихся в запоминающем массиве).
• Сложный:
• Поиск всех слов, больших или меньших заданного. Поиск слов в заданных пределах.
• Поиск максимума или минимума. Многократное выборка из АЗУ слова с максимальным или минимальным значением ассоциативного признака (с исключением его из дальнейшего поиска), по существу, представляет собой упорядоченную выборку информации. Упорядоченную выборку можно обеспечить и другим способом, если вести поиск слов, ассоциативный признак которых по отношению к признаку опроса является ближайшим большим или меньшим значением.

Очевидно, что реализация сложных методов поиска связана с соответствующими изменениями в архитектуре АЗУ, в частности с усложнением схемы ЗУ и введением в нее дополнительной логики.

Техника сравнения признаков:

При построении АЗУ выбирают из четырех вариантов организации опроса содержимого памяти. Варианты эти могут комбинироваться параллельно по группе разрядов и последовательно по группам. В плане времени поиска наиболее эффективным можно считать параллельный опрос как по словам, так и по разрядам, но не все виды запоминающих элементов допускают такую возможность.

Способ считывания информации при множественных совпадениях:

• С цепью очередности (с помощью достаточно сложного устройства, где фиксируются слова, образующие многозначный ответ. Цепь очередности позволяет производить считывание слов в порядке возрастания номера ячейки АЗУ независимо от величины ассоциативных признаков).
• Алгоритмически (в результате серии опросов).

Способ записи информации:

1. По адресу.
2. C сортировкой информации на входе АЗУ по величине ассоциативного признака (местоположение ячейки, куда будет помещено новое слово, зависит от соотношения ассоциативных признаков вновь записываемого слова и уже хранящихся в АЗУ слов).
3. По совпадению признаков.
4. С цепью очередности.

Из-за относительно высокой стоимости АЗУ редко используется как самостоятельный вид памяти.

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Ассоциативная память (АП) или (АЗУ) является особым видом машинной памяти, используемой в приложениях очень быстрого поиска. Известна также как память, адресуемая по содержимому , ассоциативное запоминающее устройство , контентно-адресуемая память или ассоциативный массив , хотя последний термин чаще используется в программировании для обозначения структуры данных. (Hannum и др., 2004)

Аппаратный ассоциативный массив

В отличие от обычной машинной памяти (памяти произвольного доступа, или RAM), в которой пользователь задает адрес памяти и ОЗУ возвращает слово данных, хранящееся по этому адресу, АП разработана таким образом, чтобы пользователь задавал слово данных, и АП ищет его во всей памяти, чтобы выяснить, хранится ли оно где-нибудь в нем. Если слово данных найдено, АП возвращает список одного или более адресов хранения, где слово было найдено (и в некоторых архитектурах, также возвращает само слово данных, или другие связанные части данных). Таким образом, АП - аппаратная реализация того, что в терминах программирования назвали бы ассоциативным массивом.

Промышленные стандарты адресуемой содержанием памяти

Определение основного интерфейса для АП и других Сетевых Элементов Поиска (Network Search Elements, NSE) было специфицировано в Соглашении о возможности взаимодействий (Interoperability Agreement), названном Интерфейс предысторий (Look-Aside Interface) (LA-1 и LA-1B ), который был разработан Форумом Сетевой Обработки, который позже был объединен с Оптическим Межсетевым Форумом (Optical Internetworking Forum, OIF). Многочисленные устройства были произведены компаниями Integrated Device Technology, Cypress Semiconductor, IBM, Netlogic Micro Systems и другими по этим соглашениям LA. 11 декабря 2007, OIF издал соглашение об интерфейсе последовательной предыстории (Serial Lookaside, SLA ).

Реализация на полупроводниках

Из-за того, что АП разработана, чтобы искать во всей памяти одной операцией, это получается намного быстрее, чем поиск в RAM фактически во всех приложениях поиска. Однако, есть и минус в большей стоимости АП. В отличие от чипа RAM, у которого хранилища простые, у каждого отдельного бита памяти в полностью параллельной АП должна быть собственная присоединенная схема сравнения, чтобы обнаружить совпадение между сохраненным битом и входным битом. К тому же, выходы сравнений от каждой ячейки в слове данных должны быть объединены, чтобы привести к полному результату сравнения слова данных. Дополнительная схема увеличивает физический размер чипа АП, что увеличивает стоимость производства. Дополнительная схема также увеличивает рассеиваемую мощность, так как все схемы сравнений активны на каждом такте. Как следствие, АП используется только в специализированных приложениях, где скорость поиска не может быть достигнута, используя другие, менее дорогостоящие, методы.

Альтернативные реализации

Для того, чтобы достигнуть другого баланса между скоростью, размером памяти и стоимостью, некоторые реализации эмулируют функции АП путём использования стандартного поиска по дереву или алгоритмов хеширования, реализованных аппаратно, также используя для ускорения эффективной работы такие аппаратные трюки, как репликация и конвейерная обработка. Эти проекты часто используются в маршрутизаторах.

Троичная ассоциативная память

Двоичная АП - простейший тип ассоциативной памяти, который использует слова поиска данных, состоявшие полностью из единиц и нулей. В троичной АП (Ternary Content Addressable Memory, TCAM ) добавляется третье значение для сравнения «X» или «не важно», для одного или более битов в сохраненном слове данных, добавляя дополнительную гибкость поиску.

Например, в троичной АП могло бы быть сохранено слово «10XX0», которое выдаст совпадение на любое из четырех слов поиска «10000», «10010», «10100», или «10110». Добавление гибкости к поиску приходит за счет увеличения сложности памяти, поскольку внутренние ячейки теперь должны кодировать три возможных состояния вместо двух. Это дополнительное состояние обычно осуществляется добавлением бита маски «важности» («важно»/«не важно») к каждой ячейке памяти.

Голографическая ассоциативная память обеспечивает математическую модель для интегрированного ассоциативного воспоминания бита «не важно», используя комплекснозначное представление. [ ] предположительно www.mit.edu/~9.54/fall14/Classes/class07/Plate.pdf and www.mit.edu/~9.54/fall14/Classes/class07/Plate.pdf

Примеры приложений

Адресуемая содержанием память часто используется в компьютерных сетевых устройствах. Например, когда сетевой коммутатор (switch) получает фрейм данных на один из его портов, это обновляет внутреннюю таблицу с источником MAC-адреса фрейма и порта, на который он был получен. Потом он ищет MAC-адрес назначения в таблице, чтобы определить, на какой порт фрейм должен быть отправлен, и отсылает его на этот порт. Таблица MAC- адресов обычно реализована на двоичной АП, таким образом порт назначения может быть найден очень быстро, уменьшая время ожидания коммутатора.

Троичные АП часто используются в тех сетевых маршрутизаторах, в которых у каждого адреса есть две части: (1) адрес сети, который может измениться в размере в зависимости от конфигурации подсети, и (2) адрес хоста, который занимает оставшиеся биты. У каждой подсети есть маска сети, которая определяет, какие биты - адрес сети и какие биты - адрес хоста. Маршрутизация делается путём сверки с таблицей маршрутизации, которую поддерживает маршрутизатор (router). В ней содержатся все известные адреса сети назначения, связанная с ними маска сети и информация, необходимая пакетам, маршрутизируемым по этому назначению. Маршрутизатор, реализованный без АП, сравнивает адрес назначения пакета, который будет разбит, с каждым входом в таблице маршрутизации, выполняя при этом логическое И с маской сети и сравнивая результаты с адресом сети. Если они равны, соответствующая информация направления используется, чтобы отправить пакет. Использование троичной АП для таблицы маршрутизации делает процесс поиска очень эффективным. Адреса хранятся с использованием бита «не важно» в части адреса хоста, таким образом поиск адреса назначения в АП немедленно извлекает правильный вход в таблице маршрутизации; обе операции - применения маски и сравнения - выполняются аппаратно средствами АП.

Другие приложения АП включают

• Диспетчеры кэша центрального процессора и ассоциативные буфера трансляции (TLB)

Библиография

• Кохонен Т. Ассоциативные запоминающие устройства. М.: Мир, 1982. - 384 с.

На английском языке

• Anargyros Krikelis, Charles C. Weems (editors) (1997) Associative Processing and Processors , IEEE Computer Science Press. ISBN 0-8186-7661-2
• Pagiamtis, K. & Sheikholeslami, A. (2006, March). IEEE J. of Solid-State Circuits , 41(3), 712–727.
• . U.S. Patent 6,823,434.

Напишите отзыв о статье "Ассоциативная память"

Примечания

Ссылки

• Ассоциативное запоминающее устройство - статья из Большой советской энциклопедии .

На английском:

См. также

• Процессор в памяти , Processor-in-memory (PIM), или Вычисляющее ОЗУ или Computational RAM, C-RAM, также, «Вычисления в памяти»
• Вычисления с памятью , концепция и реализация в виде разновидности ПЛИС

Отрывок, характеризующий Ассоциативная память

– У графини просите, а я не распоряжаюсь.
– Ежели затруднительно, пожалуйста, не надо, – сказал Берг. – Мне для Верушки только очень бы хотелось.
– Ах, убирайтесь вы все к черту, к черту, к черту и к черту!.. – закричал старый граф. – Голова кругом идет. – И он вышел из комнаты.
Графиня заплакала.
– Да, да, маменька, очень тяжелые времена! – сказал Берг.
Наташа вышла вместе с отцом и, как будто с трудом соображая что то, сначала пошла за ним, а потом побежала вниз.
На крыльце стоял Петя, занимавшийся вооружением людей, которые ехали из Москвы. На дворе все так же стояли заложенные подводы. Две из них были развязаны, и на одну из них влезал офицер, поддерживаемый денщиком.
– Ты знаешь за что? – спросил Петя Наташу (Наташа поняла, что Петя разумел: за что поссорились отец с матерью). Она не отвечала.
– За то, что папенька хотел отдать все подводы под ранепых, – сказал Петя. – Мне Васильич сказал. По моему…
– По моему, – вдруг закричала почти Наташа, обращая свое озлобленное лицо к Пете, – по моему, это такая гадость, такая мерзость, такая… я не знаю! Разве мы немцы какие нибудь?.. – Горло ее задрожало от судорожных рыданий, и она, боясь ослабеть и выпустить даром заряд своей злобы, повернулась и стремительно бросилась по лестнице. Берг сидел подле графини и родственно почтительно утешал ее. Граф с трубкой в руках ходил по комнате, когда Наташа, с изуродованным злобой лицом, как буря ворвалась в комнату и быстрыми шагами подошла к матери.
– Это гадость! Это мерзость! – закричала она. – Это не может быть, чтобы вы приказали.
Берг и графиня недоумевающе и испуганно смотрели на нее. Граф остановился у окна, прислушиваясь.
– Маменька, это нельзя; посмотрите, что на дворе! – закричала она. – Они остаются!..
– Что с тобой? Кто они? Что тебе надо?
– Раненые, вот кто! Это нельзя, маменька; это ни на что не похоже… Нет, маменька, голубушка, это не то, простите, пожалуйста, голубушка… Маменька, ну что нам то, что мы увезем, вы посмотрите только, что на дворе… Маменька!.. Это не может быть!..
Граф стоял у окна и, не поворачивая лица, слушал слова Наташи. Вдруг он засопел носом и приблизил свое лицо к окну.
Графиня взглянула на дочь, увидала ее пристыженное за мать лицо, увидала ее волнение, поняла, отчего муж теперь не оглядывался на нее, и с растерянным видом оглянулась вокруг себя.
– Ах, да делайте, как хотите! Разве я мешаю кому нибудь! – сказала она, еще не вдруг сдаваясь.
– Маменька, голубушка, простите меня!
Но графиня оттолкнула дочь и подошла к графу.
– Mon cher, ты распорядись, как надо… Я ведь не знаю этого, – сказала она, виновато опуская глаза.
– Яйца… яйца курицу учат… – сквозь счастливые слезы проговорил граф и обнял жену, которая рада была скрыть на его груди свое пристыженное лицо.
– Папенька, маменька! Можно распорядиться? Можно?.. – спрашивала Наташа. – Мы все таки возьмем все самое нужное… – говорила Наташа.
Граф утвердительно кивнул ей головой, и Наташа тем быстрым бегом, которым она бегивала в горелки, побежала по зале в переднюю и по лестнице на двор.
Люди собрались около Наташи и до тех пор не могли поверить тому странному приказанию, которое она передавала, пока сам граф именем своей жены не подтвердил приказания о том, чтобы отдавать все подводы под раненых, а сундуки сносить в кладовые. Поняв приказание, люди с радостью и хлопотливостью принялись за новое дело. Прислуге теперь это не только не казалось странным, но, напротив, казалось, что это не могло быть иначе, точно так же, как за четверть часа перед этим никому не только не казалось странным, что оставляют раненых, а берут вещи, но казалось, что не могло быть иначе.
Все домашние, как бы выплачивая за то, что они раньше не взялись за это, принялись с хлопотливостью за новое дело размещения раненых. Раненые повыползли из своих комнат и с радостными бледными лицами окружили подводы. В соседних домах тоже разнесся слух, что есть подводы, и на двор к Ростовым стали приходить раненые из других домов. Многие из раненых просили не снимать вещей и только посадить их сверху. Но раз начавшееся дело свалки вещей уже не могло остановиться. Было все равно, оставлять все или половину. На дворе лежали неубранные сундуки с посудой, с бронзой, с картинами, зеркалами, которые так старательно укладывали в прошлую ночь, и всё искали и находили возможность сложить то и то и отдать еще и еще подводы.
– Четверых еще можно взять, – говорил управляющий, – я свою повозку отдаю, а то куда же их?
– Да отдайте мою гардеробную, – говорила графиня. – Дуняша со мной сядет в карету.
Отдали еще и гардеробную повозку и отправили ее за ранеными через два дома. Все домашние и прислуга были весело оживлены. Наташа находилась в восторженно счастливом оживлении, которого она давно не испытывала.
– Куда же его привязать? – говорили люди, прилаживая сундук к узкой запятке кареты, – надо хоть одну подводу оставить.
– Да с чем он? – спрашивала Наташа.
– С книгами графскими.
– Оставьте. Васильич уберет. Это не нужно.
В бричке все было полно людей; сомневались о том, куда сядет Петр Ильич.
– Он на козлы. Ведь ты на козлы, Петя? – кричала Наташа.
Соня не переставая хлопотала тоже; но цель хлопот ее была противоположна цели Наташи. Она убирала те вещи, которые должны были остаться; записывала их, по желанию графини, и старалась захватить с собой как можно больше.

Во втором часу заложенные и уложенные четыре экипажа Ростовых стояли у подъезда. Подводы с ранеными одна за другой съезжали со двора.
Коляска, в которой везли князя Андрея, проезжая мимо крыльца, обратила на себя внимание Сони, устраивавшей вместе с девушкой сиденья для графини в ее огромной высокой карете, стоявшей у подъезда.
– Это чья же коляска? – спросила Соня, высунувшись в окно кареты.
– А вы разве не знали, барышня? – отвечала горничная. – Князь раненый: он у нас ночевал и тоже с нами едут.
– Да кто это? Как фамилия?
– Самый наш жених бывший, князь Болконский! – вздыхая, отвечала горничная. – Говорят, при смерти.
Соня выскочила из кареты и побежала к графине. Графиня, уже одетая по дорожному, в шали и шляпе, усталая, ходила по гостиной, ожидая домашних, с тем чтобы посидеть с закрытыми дверями и помолиться перед отъездом. Наташи не было в комнате.
– Maman, – сказала Соня, – князь Андрей здесь, раненый, при смерти. Он едет с нами.
Графиня испуганно открыла глаза и, схватив за руку Соню, оглянулась.
– Наташа? – проговорила она.
И для Сони и для графини известие это имело в первую минуту только одно значение. Они знали свою Наташу, и ужас о том, что будет с нею при этом известии, заглушал для них всякое сочувствие к человеку, которого они обе любили.
– Наташа не знает еще; но он едет с нами, – сказала Соня.
– Ты говоришь, при смерти?
Соня кивнула головой.
Графиня обняла Соню и заплакала.
«Пути господни неисповедимы!» – думала она, чувствуя, что во всем, что делалось теперь, начинала выступать скрывавшаяся прежде от взгляда людей всемогущая рука.
– Ну, мама, все готово. О чем вы?.. – спросила с оживленным лицом Наташа, вбегая в комнату.
– Ни о чем, – сказала графиня. – Готово, так поедем. – И графиня нагнулась к своему ридикюлю, чтобы скрыть расстроенное лицо. Соня обняла Наташу и поцеловала ее.
Наташа вопросительно взглянула на нее.
– Что ты? Что такое случилось?
– Ничего… Нет…
– Очень дурное для меня?.. Что такое? – спрашивала чуткая Наташа.

В ассоциативной памяти элементы выбираются не по адресу, а по содержимому. Поясним последнее понятие более подробно. Для памяти с адресной организацией было введено понятие минимальной адресуемой единицы (МАЕ) как порции данных, имеющей индивидуальный адрес. Введем аналогичное понятие для ассоциативной памяти , и будем эту минимальную единицу хранения в ассоциативной памяти называть строкой ассоциативной памяти (СтрАП). Каждая СтрАП содержит два поля: поле тега (англ. tag - ярлык, этикетка, признак) и поле данных. Запрос на чтение к ассоциативной памяти словами можно выразить следующим образом: выбрать строку (строки), у которой (у которых) тег равен заданному значению.

Особо отметим, что при таком запросе возможен один из трех результатов:

1. имеется в точности одна строка с заданным тегом;
2. имеется несколько строк с заданным тегом;
3. нет ни одной строки с заданным тегом.

Поиск записи по признаку - это действие, типичное для обращений к базам данных, и поиск в базе зачастую чвляется ассоциативным поиском. Для выполнения такого поиска следует просмотреть все записи и сравнить заданный тег с тегом каждой записи. Это можно сделать и при использовании для хранения записей обычной адресуемой памяти (и понятно, что это потребует достаточно много времени - пропорционально количеству хранимых записей!). Об ассоциативной памяти говорят тогда, когда ассоциативная выборка данных из памяти поддержана аппаратно. При записи в ассоциативную память элемент данных помещается в СтрАП вместе с присущим этому элементу тегом. Для этого можно использовать любую свободную СтрАП. Рассмотрим разновидности структурной организации КЭШ-памяти или способы отображения оперативной памяти на КЭШ .

Полностью ассоциативный КЭШ

Схема полностью ассоциативного КЭШа представлена на рисунке (см. рисунок ниже).

Опишем алгоритм работы системы с КЭШ-памятью. В начале работы КЭШ-память пуста. При выполнении первой же команды во время выборки ее код, а также еще несколько соседних байтов программного кода, - будут перенесены (медленно) в одну из строк КЭШа, и одновременно старшая часть адреса будет записана в соответствующий тег. Так происходит заполнение КЭШ-строки.

Если следующие выборки возможны из этого участка, они будут сделаны уже из КЭШа (быстро) - "КЭШ-попадание". Если же окажется, что нужного элемента в КЭШе нет, - "КЭШ-промахом". В этом случае обращение происходит к ОЗУ (медленно), и при этом одновременно заполняется очередная КЭШ-строка.

Схема полностью ассоциативной КЭШ-памяти

Обращение к КЭШу происходит следующим образом. После формирования исполнительного адреса его старшие биты, образующие тег, аппаратно (быстро) и одновременно сравниваются с тегами всех КЭШ-строк. При этом возможны только две ситуации из трех, перечисленных ранее: либо все сравнения дадут отрицательный результат (КЭШ-промах), либо положительный результат сравнения будет зафиксирован в точности для одной строки (КЭШ-попадание).

При считывании, если зафиксировано КЭШ-попадание, младшие разряды адреса определяют позицию в КЭШ-строке, начиная с которой следует выбирать байты, а тип операции определяет количество байтов. Очевидно, что если длина элемента данных превышает один байт, то возможны ситуации, когда этот элемент (частями) расположен в двух (или более) разных КЭШ-строках, тогда время на выборку такого элемента увеличится. Противодействовать этому можно, выравнивая операнды и команды по границам КЭШ-строк, что и учитывают при разработке оптимизирующих трансляторов или при ручной оптимизации кода.

Если произошел КЭШ-промах, а в КЭШе нет свободных строк, необходимо заменить одну строку КЭШа на другую строку.

Основная цель стратегии замещения - удерживать в КЭШ-памяти строки, к которым наиболее вероятны обращения в ближайшем будущем, и заменять строки, доступ к которым произойдет в более отдаленном времени или вообще не случится. Очевидно, что оптимальным будет алгоритм, который замещает ту строку, обращение к которой в будущем произойдет позже, чем к любой другой строке-КЭШ.

К сожалению, такое предсказание практически нереализуемо, и приходится привлекать алгоритмы, уступающие оптимальному. Вне зависимости от используемого алгоритма замещения, для достижения высокой скорости он должен быть реализован аппаратными средствами.

Среди множества возможных алгоритмов замещения наиболее распространенными являются четыре, рассматриваемые в порядке уменьшения их относительной эффективности. Любой из них может быть применен в полностью ассоциативном КЭШ.

Наиболее эффективным является алгоритм замещения на основе наиболее давнего использования (LRU - Least Recently Used ), при котором замещается та строка КЭШ-памяти, к которой дольше всего не было обращения. Проводившиеся исследования показали, что алгоритм LRU, который "смотрит" назад, работает достаточно хорошо в сравнении с оптимальным алгоритмом, "смотрящим" вперед.

Наиболее известны два способа аппаратурной реализации этого алгоритма. В первом из них с каждой строкой КЭШ-памяти ассоциируют счетчик. К содержимому всех счетчиков через определенные интервалы времени добавляется единица. При обращении к строке ее счетчик обнуляется. Таким образом, наибольшее число будет в счетчике той строки, к которой дольше всего не было обращений и эта строка - первый кандидат на замещение.

Второй способ реализуется с помощью очереди, куда в порядке заполнения строк КЭШ-памяти заносятся ссылки на эти строки. При каждом обращении к строке ссылка на нее перемещается в конец очереди. В итоге первой в очереди каждый раз оказывается ссылка на строку, к которой дольше всего не было обращений. Именно эта строка прежде всего и заменяется.

Другой возможный алгоритм замещения - алгоритм, работающий по принципу "первый вошел, первый вышел" (FIFO - First In First Out ). Здесь заменяется строка, дольше всего находившаяся в КЭШ-памяти. Алгоритм легко реализуется с помощью рассмотренной ранее очереди, с той лишь разницей, что после обращения к строке положение соответствующей ссылки в очереди не меняется.

Еще один алгоритм - замена наименее часто использовавшейся строки (LFU - Least Frequently Used). Заменяется та строка в КЭШ-памяти, к которой было меньше всего обращений. Принцип можно воплотить на практике, связав каждую строку со счетчиком обращений, к содержимому которого после каждого обращения добавляется единица. Главным претендентом на замещение является строка, счетчик которой содержит наименьшее число.

Простейший алгоритм - произвольный выбор строки для замены. Замещаемая строка выбирается случайным образом. Реализовано это может быть, например, с помощью счетчика, содержимое которого увеличивается на единицу с каждым тактовым импульсом, вне зависимости от того, имело место попадание или промах. Значение в счетчике определяет заменяемую строку.

Кроме тега и байтов данных в КЭШ-строке могут содержаться дополнительные служебные поля, среди которых в первую очередь следует отметить бит достоверности V (от valid - действительный имеющий силу) и бит модификации M (от modify - изменять, модифицировать). При заполнении очередной КЭШ-строки V устанавливается в состояние "достоверно", а M - в состояние "не модифицировано". В случае, если в ходе выполнения программы содержимое данной строки было изменено, переключается бит M, сигнализируя о том, что при замене данной строки ее содержимое следует переписать в ОЗУ. Если по каким-либо причинам произошло изменение копии элемента данной строки, хранимого в другом месте (например в ОЗУ), переключается бит V. При обращении к такой строке будет зафиксирован КЭШ-промах (несмотря на то, что тег совпадает), и обращение произойдет к основному ОЗУ. Кроме того, служебное поле может содержать биты, поддерживающие алгоритм LRU.

Оценка объема оборудования

Типовой объем КЭШ-памяти в современной системе - 8…1024 кбайт, а длина КЭШ-строки 4…32 байт. Дальнейшая оценка делается для значений объема КЭШа 256 кбайт и длины строки 32 байт, что характерно для систем с процессорами Pentium и PentiumPro. Длина тега при этом равна 27 бит, а количество строк в КЭШе составит 256К/ 32=8192. Именно столько цифровых компараторов 27 битных кодов потребуется для реализации вышеописанной структуры.

Приблизительная оценка затрат оборудования для построения цифрового компаратора дает значение 10 транз/бит, а общее количество транзисторов только в блоке компараторов будет равно:

10*27*8192 = 2 211 840,

что приблизительно в полтора раза меньше общего количества транзисторов на кристалле Pentium. Таким образом, ясно, что описанная структура полностью ассоциативной КЭШ-памяти () реализуема только при малом количестве строк в КЭШе, т.е. при малом объеме КЭШа (практически не более 32…64 строк). КЭШ большего объема строят по другой структуре.

Поиск номера кадра, соответствующего нужной странице, в многоуровневой таблице страниц требует нескольких обращений к основной памяти, поэтому занимает много времени. В некоторых случаях такая задержка недопустима. Проблема ускорения поиска решается на уровне архитектуры компьютера.

В соответствии со свойством локальности большинство программ в течение некоторого промежутка времени обращаются к небольшому количеству страниц, поэтому активно используется только небольшая часть таблицы страниц.

Естественное решение проблемы ускорения - снабдить компьютер аппаратным устройством для отображения виртуальных страниц в физические без обращения к таблице страниц, то есть иметь небольшую, быструю кэш-память, хранящую необходимую на данный момент часть таблицы страниц. Это устройство называется ассоциативной памятью, иногда также употребляют термин буфер поиска трансляции (translation lookaside buffer - TLB).

Одна запись таблицы в ассоциативной памяти (один вход) содержит информацию об одной виртуальной странице: ее атрибуты и кадр, в котором она находится. Эти поля в точности соответствуют полям в таблице страниц.

Так как ассоциативная память содержит только некоторые из записей таблицы страниц, каждая запись в TLB должна включать поле с номером виртуальной страницы. Память называется ассоциативной, потому что в ней происходит одновременное сравнение номера отображаемой виртуальной страницы с соответствующим полем во всех строках этой небольшой таблицы. Поэтому данный вид памяти достаточно дорого стоит. В строке, поле виртуальной страницы которой совпало с искомым значением, находится номер страничного кадра. Обычное число записей в TLB от 8 до 4096. Рост количества записей в ассоциативной памяти должен осуществляться с учетом таких факторов, как размер кэша основной памяти и количества обращений к памяти при выполнении одной команды.

Рассмотрим функционирование менеджера памяти при наличии ассоциативной памяти.

Вначале информация об отображении виртуальной страницы в физическую отыскивается в ассоциативной памяти. Если нужная запись найдена - все нормально, за исключением случаев нарушения привилегий, когда запрос на обращение к памяти отклоняется.

Если нужная запись в ассоциативной памяти отсутствует, отображение осуществляется через таблицу страниц. Происходит замена одной из записей в ассоциативной памяти найденной записью из таблицы страниц. Здесь мы сталкиваемся с традиционной для любого кэша проблемой замещения (а именно - какую из записей в кэше необходимо изменить). Конструкция ассоциативной памяти должна организовывать записи таким образом, чтобы можно было принять решение о том, какая из старых записей должна быть удалена при внесении новых.

Число удачных поисков номера страницы в ассоциативной памяти по отношению к общему числу поисков называется hit (совпадение) ratio (пропорция, отношение). Иногда также используется термин «процент попаданий в кэш». Таким образом, hit ratio - часть ссылок, которая может быть сделана с использованием ассоциативной памяти. Обращение к одним и тем же страницам повышает hit ratio. Чем больше hit ratio, тем меньше среднее время доступа к данным, находящимся в оперативной памяти.

Предположим, например, что для определения адреса в случае кэш-промаха через таблицу страниц необходимо 100 не, а для определения адреса в случае кэш-попадания через ассоциативную память - 20 не. С 90% hit ratio среднее время определения адреса - 0,9x20 + 0,1x100 = 28 не.

Вполне приемлемая производительность современных ОС доказывает эффективность использования ассоциативной памяти. Высокое значение вероятности нахождения данных в ассоциативной памяти связано с наличием у данных объективных свойств: пространственной и временной локальности.

Необходимо обратить внимание на следующий факт. При переключении контекста процессов нужно добиться того, чтобы новый процесс «не видел» в ассоциативной памяти информацию, относящуюся к предыдущему процессу, например очищать ее. Таким образом, использование ассоциативной памяти увеличивает время переключения контекста.

Рассмотренная двухуровневая (ассоциативная память + таблица страниц) схема преобразования адреса является ярким примером иерархии памяти, основанной на использовании принципа локальности, о чем говорилось во введении к предыдущей лекции.

Ассоциативная память

Говорят, что память держится на трех китах: ассоциациях, запечатлении, повторении. Но обязательно ли придерживаться этой модели? Догадливые читатели без труда увидят аналогию с древними представлениями о мироустройстве и о Земле, имеющей плоскую поверхность. Но обязательно ли придерживаться этой модели? Впрочем, пока старая модель вас устраивает, можно с успехом пользоваться ею в повседневной практике.

Ассоциации – это невидимые зацепки, прочно связывающие то, что мы уже хорошо помним, с тем, что требуется закрепить в памяти.

Ассоциативную память можно и нужно развивать и тренировать. При приложении сознательных усилий поиск ассоциаций будет происходить гораздо быстрее, а со временем навык может перейти на бессознательный уровень, ассоциации будут находиться сами собой и запоминать информацию станет все легче и легче.

Но хватит теории, пора переходить непосредственно к простым и совершенно необременительным упражнениям!

Итак, вы прочитали 50 слов, представляя соответствующие образы как можно ярче, в цвете и движении. А теперь постарайтесь связать все слова в один длинный рассказ или в несколько коротких: кошка, дом, машина, яблоко…

Ключ

Бело-рыжая КОШКА зашла в ДОМ из красного кирпича, прошла во встроенный гараж, села в малиновую МАШИНУ, выехала на автостраду и стала, управляя рулем левой лапой, грызть зеленое ЯБЛОКО, держа его правой лапой.

Вспоминать слова на данном этапе развития памяти нет никакой необходимости. Это вы будете делать чуть позже, причем легко и играючи. Сейчас же я не рекомендую перегружать себя сложными упражнениями. Хотите достигнуть очень высокого уровня памяти? Для большинства людей эффективнее двигаться, наращивая уровень сложности понемногу, зато регулярно.

Данный текст является ознакомительным фрагментом. Из книги Психология интеллекта и одаренности автора Ушаков Дмитрий Викторович

Режимы творческого мышления, ассоциативная сеть и распределенное внимание Идеи механизмов, которые могут быть сопоставлены с интуитивным полюсом мышления, в современной психологии восходят к работам С. Медника. В начале 1960-х годов он предположил, что индивидуальные

автора Мюллер Станислав

Часть I. Как в два раза улучшить память за сорок пять минут, или Введение в голографическую память С чего все начиналось… Несколько лет назад, после окончания последнего занятия по развитию памяти, один из студентов предъявляет претензии в отношении результатов

Из книги Разблокируй свою память: запомни все! автора Мюллер Станислав

Ассоциативная память Говорят, что память держится на трех китах: ассоциации, запечатлении, повторении. Но обязательно ли придерживаться этой модели?Догадливые читатели без труда увидят аналогию с древними представлениями о мироустройстве и о Земле, имеющей плоскую

Из книги Разблокируй свою память: запомни все! автора Мюллер Станислав

Ассоциативная память Та же самая игра (или упражнение, как вам будет угодно) на ассоциативное связывание между собой слов, но только с участием ощущений прикосновения. Придумываете один рассказ, включающий все пятьдесят слов, или несколько коротких, что вначале даже

Из книги Разблокируй свою память: запомни все! автора Мюллер Станислав

Ассоциативная память Та же самая игра (или упражнение) на ассоциативное связывание между собой слов, но уже со звуками и прикосновениями. Придумываете один или несколько рассказов, включающих пятьдесят слов.Точно так же пропускаем трудные слова. Хотя, если есть желание и

Из книги Разблокируй свою память: запомни все! автора Мюллер Станислав

Ассоциативная память Придумайте один рассказ, содержащий все пятьдесят слов, или несколько коротких. Трудные слова теперь не пропускаем. Составление рассказа не должно уже представлять для вас труда.Вспоминать слова или рассказы на данном этапе развития ассоциативной

автора Мюллер Станислав

Часть I Как в два раза улучшить память за 45 минут, или введение в голографическую память «В начале славных дел…» Несколько лет назад, после окончания последнего занятия по развитию памяти, один из студентов предъявил мне претензии:– Станислав, люди к вам приходят, чтобы

Из книги Вспомни всё [Секреты суперпамяти. Книга-тренажер] автора Мюллер Станислав

Ассоциативная память Говорят, что память держится на трех китах: ассоциациях, запечатлении, повторении. Но обязательно ли придерживаться этой модели? Догадливые читатели без труда увидят аналогию с древними представлениями о мироустройстве и о Земле, имеющей плоскую

Из книги Начнем сначала, или Как разглядеть свое Завтра автора Козлов Николай Иванович

Память прошлого и память будущего Мои коллеги-психологи, исследователи памяти, предполагают, что резервы нашей памяти практически неисчерпаемы. Нашей головы хватит, чтобы мы запоминали все и всегда: и вон тот случайный разговор на улице, и колыхание каждой ветки вон того

Из книги Психология взрослости автора Ильин Евгений Павлович

Ассоциативная методика диагностики личностной зрелости Авторы: Е. В. Каляева, Т. В. ПрокофьеваИнструкция. Вашему вниманию предлагается ряд слов. Подумайте, какие ассоциации вызывает каждое из этих слов, запишите их.Предлагаются 35 характеристик, раскрывающих понятие

Из книги Психология развития [Методы исследования] автора Миллер Скотт

«Повседневная» память и долговременная память Рассмотрим еще два вопроса, имеющих отношение к теме «Память». До сих пор основное внимание уделялось стандартным лабораторным методам, часто исполь-зуемым при изучении памяти в любой возрастной период. Два последних

Из книги Общая психология автора Дмитриева Н Ю

8. Ассоциативная психология В процессе формирования психологии стал преобладать ассоцианистский подход к восприятию. Ассоциативная психология – одно из основных направлений в психологии XVII–XIX вв. Главным объяснительным принципом психической жизни являлось понятие

Из книги Все лучшее, что не купишь за деньги. Мир без политики, нищеты и войн автора Фреско Жак

автора Ньюберг Эндрю

Из книги Тайна Бога и наука о мозге [Нейробиология веры и религиозного опыта] автора Ньюберг Эндрю

Из книги Тайна Бога и наука о мозге [Нейробиология веры и религиозного опыта] автора Ньюберг Эндрю