Tổng quát bộ nhớ đệm dạng ánh xạ trực tiếp

Bộ nhớ đệm được ánh xạ trực tiếp nhanh nhất về khả năng định vị cũng như lấy dữ liệu từ bộ nhớ chính bởi vì nó sẽ chỉ phải xem duy nhất một địa chỉ thẻ cho địa chỉ bộ nhớ cho sẵn.

Tuy nhiên nó cũng xảy ra nhiều “miss” hơn những dạng bộ nhớ đệm kia. Bộ nhớ đệm dạng kết hợp toàn bộ cho tỷ lệ đọc cao nhất (hit ratio) nhưng lại chậm trong định vị và lấy dữ liệu bởi vì phải kiểm tra quá nhiều thẻ địa chỉ. Bộ nhớ đệm liên hợp n dòng là một sự thỏa hiệp giữa tốc độ bộ nhớ đệm tối ưu và đọc (hit ratio), nhưng càng nhiều sự kết hợp thì càng nhiều phần cứng được yêu cầu (bit của thẻ, mạch điện máy so mẫu…) và làm bộ nhớ đệm cao giá. Một cách hiển nhiên, thiết kế bộ đệm là một dãy trao đổi, và cái làm tốt nhất trong trường hợp này sẽ không thể làm tốt trong trường hợp khác. Những môi trường đa nhiệm như Windows là những ví dụ tốt về môi trường trong đó bộ xử lý cần để vận hành trong những vùng bộ nhớ khác nhau đồng thời và trong đó bộ đệm n-dòng có thể cải tiến tốc độ.

Đặc điểm của bộ nhớ đệm dạng ánh xạ trực tiếp

Nội dung của bộ nhớ đệm phải luôn luôn đồng bộ với nội dung của bộ nhớ chính để chắc chắn rằng bộ xử lý đang làm việc với dữ liệu hiện có. Vì lí do này, bộ nhớ đệm nội bộ trong dòng 186 được gọi là bộ nhớ đệm ghi thẳng (write -through). Ghi thẳng có nghĩa là khi bộ xử lý ghi những thông tin vào bộ nhớ đệm thì những thông tin này được ghi tự động vào bộ nhớ chính ngay. Bằng cách so sánh, những chip Pentium và mới hơn đều có bộ nhớ đệm ghi lại nội bộ (internal write-back), nghĩa là cả đọc và ghi đều được lưu trữ, cải tiến xa hơn về tốc độ. Một tính chất khác của sự thiết kế bộ nhớ đệm được cải tiến là không đóng khối (Nonblocking). Kỹ thuật này làm giảm hay dấu những trì hoãn bộ nhớ gây nên bởi khai thác sự chồng chéo hoạt động của bộ xử lý với dữ liệu truy cập. Bộ nhớ đệm Nonblocking cho phép thực thi chương trình để tiến đồng lúc với trạng thái cache miss miễn là sự ràng buộc chắc chắn được tuân theo. Mặt khác bộ nhớ đệm có thể quản lý tình trạng cache miss tốt hơn, cho phép bộ xử lý tiếp tục làm việc mà không bị lệ thuộc vào việc không có dữ liệu.

Phần quản lý bộ nhớ đệm được thiết kế trên bộ xử lý dùng để canh phòng bus bộ nhớ khi nhiều xử lý có thể chọn (gọi là bus masters) trong điều khiển hệ thống. Tiến trình của việc canh phòng bus được gọi là bus snooping. Nếu thiết bị bus master ghi vào vùng bộ nhớ thì cùng được lưu trữ trên bộ nhớ đệm bộ xử lý hiện hành. Phần quản lý bộ nhớ đệm sẽ đánh dấu dữ liệu này như không hiệu lực và nạp lại vào bộ nhớ đệm trong khi bộ nhớ kế tiếp truy cập, duy trì tính toàn vẹn của hệ thống.

Tất cả các thiết kế máy tính hỗ trợ bộ nhớ đệm bằng tính năng TLB (Translation Look- Aside Buffer) để cải tiến sự hồi phục trong trường hợp bị cache miss. TLB là một bảng trong bộ xử lý chứa thông tin về định vị những địa chỉ bộ nhớ được truy cập mới nhất. TLB thúc đẩy sự chuyển dịch của địa chỉ ảo sang địa chỉ bộ nhớ vật lý. Để cải tiến tốc độ TLB một số bộ xử lý tăng số đường vào trên TLB, như AMD khi chuyển từ nhân Athlon Thunderbird sang nhân Palomino. Pentium 4 hỗ trợ công nghệ siêu phân luồng (hyper-threading Technology) có chi lệnh TLB riêng (ITLB: instruction TLB) cho mỗi chuỗi bộ xử lý ảo.

Kết luận

Khi những tốc độ đồng hồ gia tăng, thời gian chu kỳ giảm. Những hệ thống mới hơn không dùng bộ đệm trên bo mạch lâu hơn nữa bởi vì bộ nhớ hệ thống nhanh hơn được sử dụng trong những hệ thống hiện đại có thể theo kịp tốc độ bo mạch. Những bộ xử lý hiện đại đều tích hợp bộ đệm L2 vào khuôn bộ xử lý như bộ đệm L1 và một số cũng bao gồm bộ nhớ đệm L3 trên khuôn. Điều này cho phép L2/L3 chạy ở tốc độ nhân bởi vì nó giờ là một phần của nhân. Tốc độ bộ đệm thì luôn luôn quan trọng hơn kích cỡ. Quy luật là một bộ đệm nhỏ hơn nhưng nhanh hơn thì luôn luôn tốt hơn bộ đệm chậm hơn nhưng lớn hơn.