К описанной в разд. 1.1программной модели учебной ЭВМ может быть подключена программная модель кэш-памяти. Конкретная реализация кэш-памяти в описываемой программной модели показана на рис. 15.
Кэш-память содержит Nячеек (в модели Nможет 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, "Zi = 0), факт записи информации в ячейку во время пребывания ее в кэш-памяти, а также использование ячейки (т. е. любое обращение к ней).
| Z | U | W | |||
| 1 | |||||
| 2 | 118 | 100236 | 1 | 1 | 0 |
| i | Ti | Di | zi | ui | wi |
| Теги | Данные | ||||
| n |
Рис. 15. Структура модели кэш-памяти
Текущее состояние кэш-памяти отображается на экране в отдельном окне в форме таблицы, причем количество строк соответствует выбранному числу ячеек кэш. Столбцы таблицы определяют содержимое полей ячеек, например, так, как показано в табл. 3.
Пример текущего состояния кэш-памяти
Таблица 3
| Теги | Данные | Z | U | W | |
| 1 | 012 | 220152 | 1 | 0 | 0 |
| 2 | 013 | 211003 | 1 | 1 | 0 |
| 3 | 050 | 000025 | 1 | 1 | 1 |
| 4 | 000 | 000000 | 0 | 0 | 0 |
Для настройки параметров кэш-памяти можно воспользоваться диалоговым окном Кэш-память, вызываемым командой Вид Кэш-память, а затем нажать первую кнопку на панели инструментов открытого окна. После этих действий появится диалоговое окно Параметры кэш-памяти, позволяющее выбрать размер кэш-памяти, способ записи в нее информации и алгоритм замещения ячеек.
Напомним, что при сквозной записи при кэш-попадании в процессорных циклах записи осуществляется запись как в ячейку кэш-памяти, так и в ячейку ОЗУ, а при обратной записи — только в ячейку кэш-памяти, причем эта ячейка отмечается битом записи (Wi:=1). При очистке ячеек, отмеченных битом записи, необходимо переписать измененное значение ноля данных в соответствующую ячейку ОЗУ.
При кэш-промахе следует поместить в кэш-память адресуемую процессором ячейку. При наличии свободных ячеек кэш-памяти требуемое слово помещается в одну из них (в порядке очереди). При отсутствии свободных ячеек следует отыскать ячейку кэш-памяти, содержимое которой можно удалить, записав на его место требуемые данные (команду). Поиск такой ячейки осуществляется с использованием алгоритма замещения строк.
В модели реализованы три различных алгоритма замещения строк:
случайное замещение, при реализации которого номер ячейки кэш-памяти выбирается случайным образом;
очередь, при которой выбор замещаемой ячейки определяется временем пребывания ее в кэш-памяти;
бит использования, случайный выбор осуществляется только из тех ячеек, которые имеют нулевое значение флага использования.
Напомним, что бит использования устанавливается в 1 при любом обращении к ячейке, однако, как только все биты Uiустановятся в 1, все они тут же сбрасываются в 0, так что в кэш всегда ячейки разбиты на два непересекающихся подмножества по значению бита U — те, обращение к которым состоялось относительно недавно (послепоследнего сброса вектора U) имеют значение U = 1, иные — со значением U = 0 являются "кандидатами на удаление" при использовании алгоритма замещения "бит использования".
Если в параметрах кэш-памяти установлен флаг "с учетом бита записи", то все три алгоритма замещения осуществляют поиск "кандидата на удаление" прежде всего среди тех ячеек, признак записи которых не установлен, а при отсутствии таких ячеек (что крайне маловероятно) — среди всех ячеек кэш-памяти. При снятом флаге "с учетом бита записи" поиск осуществляется по всем ячейкам кэш-памяти без учета значения W.
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):
, (2)
(3)
где:
K— коэффициент эффективности работы кэш-памяти;
So— общее число обращений к памяти;
SK— число кэш-попаданий;
SKw — число сквозных записей при кэш-попадании (в режиме сквозной записи);
SiKw— число обратных записей (в режиме обратной записи).
Вспомогательные таблицы
В данном разделе представлены вспомогательные таблицы (табл. 4 —8) для работы с моделью учебной ЭВМ.
Таблица команд учебной ЭВМ
Таблица 4
 Ст.
Мл.
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 0 | NOP | JMP | MOV | ||
| 1 | IN | JZ | RD | RD | RDI |
| 2 | OUT | JNZ | WR | WR | |
| 3 | IRET | JS | ADD | ADD | ADI |
| 4 | WRRB | JNS | SUB | SUB | SBI |
| 5 | WRSP | JO | MUL | MUL | MULI |
| 6 | PUSH | JNO | DIV | DIV | DIVI |
| 7 | POP | JRNZ | IN | ||
| 8 | RET | INT | EI | OUT | |
| 9 | HLT | CALL | DI |
Типы адресации, их коды и обозначение
Таблица 5
| Обозначение | Код | Тип адресации | Пример команды |
| 0 | Прямая (регистровая) | ADD 23 (ADD R3) | |
| # | 1 | Непосредственная | ADD # 33 |
| @ | 2 | Косвенная | ADD @ 33 |
| [ ] | 3 | Относительная | ADD [33] |
| @R | 4 | Косвенно-регистровая | ADD @R3 |
| @R+ | 5 | Индексная с постинкрементом | ADD@R3+ |
| -@R | 6 | Индексная с преддекрементом | ADD -@R3 |
В табл. 6 приняты следующие обозначения:
DD— данные, формируемые командой в качестве (второго) операнда: прямо или косвенно адресуемая ячейка памяти или трехразрядный непосредственный операнд;
R* — содержимое регистра или косвенно адресуемая через регистр ячейка памяти;
ADR* — два младших разряда ADR поля регистра CR;
V — адрес памяти, соответствующий вектору прерывания;
М(*) — ячейка памяти, прямо или косвенно адресуемая в команде;
I — пятиразрядный непосредственный операнд со знаком.
Система команд учебной ЭВМ
Таблица 6
| КОП | Мнемо - код | Название | Действие |
| 00 | NOP | Пустая операция | Нет |
| 01 | IN | Ввод | Acc ← IR |
| 02 | OUT | Вывод | OR ← Acc |
| 03 | IRET | Возврат из прерывания | FLAGS.PC ←M(SP);INC (SP) |
| 04 | WRRB | Загрузка RB | RB ← CR [ADR] |
| 05 | WRSP | Загрузка SP | SP ← CR [ADR] |
| 06 | PUSH | Поместить в стек | DEC(SP); M(SP) ← R |
| 07 | POP | Извлечь из стека | R ® M(SP); INC (SP) |
| 08 | RET | Возврат | PC ® M(SP); INC (SP) |
| 09 | HLT | Стоп | Конец командных циклов |
| 10 | JMP | Безусловный переход | PC ← CR [ADR] |
| 11 | JZ | Переход, если 0 | if Acc = 0 then PC ← CR [ADR] |
| 12 | JNZ | Переход, если не 0 | if Acc¹ 0 then PC ← CR [ADR] |
| 13 | JS | Переход, если отрицательно | if Acc< 0 then PC ← CR [ADR] |
| 14 | JNS | Переход,если положительно | if Acc³ 0 then PC ← CR [ADR] |
| 15 | JO | Переход, если переполнение | if ½Acc½>0 then PC ← CR [ADR] |
| 16 | JNO | Переход, если нет переполнения | if½Acc½£ 0 then PC ← CR [ADR] |
| 17 | JRNZ | Цикл | DEC(R); if R >0 then PC← CR [ADR] |
| 18 | INT | Программное прерывание | DEC(SP); M(SP) ← FLAGS.PC; PC ← M(V) |
| 19 | CALL | Вызов подпрограммы | DEC(SP); M(SP)← PC; PC ←CR(ADR) |
| 20 | Нет | ||
| 21 | RD | Чтение | Acc ← DD |
| 22 | WR | Запись | M (*)← Acc |
| 23 | ADD | Сложение | Acc ← Acc + DD |
| 24 | SUB | Вычитание | Acc ← Acc - DD |
| 25 | MUL | Умножение | Acc ← Acc x DD |
| 26 | DIV | Деление | Acc ← Acc /DD |
| 27 | Нет | ||
| 28 | EI | Разрешить прерывание | IF ← 1 |
| 29 | DI | Запретить прерывание | IF ← 0 |
| 30 | MOV | Пересылка | R1 ← R2 |
| 31 | RD | Чтение | Acc ← R* |
| 32 | WR | Запись | R* ← Acc |
| 33 | ADD | Сложение | Acc ← Acc+ R* |
| 34 | SUB | Вычитание | Acc ← Acc – R* |
| 35 | MUL | Умножение | Acc ← Acc - R* |
| 36 | DIV | Деление | Acc ← Acc/R* |
| 37 | IN | Ввод | Acc ← BY (CR[ADR*]) |
| 38 | OUT | Вывод | BY (CR[ADR*]) ← Acc |
| 39 | Нет | ||
| 40 | Нет | ||
| 41 | RDI | Чтение | Acc ← I |
| 42 | Нет | ||
| 43 | JNS | Сложение | Acc ← Acc +I |
| 44 | JO | Вычитание | Acc ← Acc - I |
| 45 | JNO | Умножение | Acc ← Acc x I |
| 46 | JRNZ | Деление | Acc ← Acc/I |
Таблица кодов ASCII (фрагмент)
Таблица 7
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | А | В | С | D | E | F | |
| 0 | 0 | @ | P | ‘ | p | A | Р | а | р | |||||||
| 1 | ! | 1 | A | Q | a | q | Б | С | б | с | ||||||
| 2 | ” | 2 | B | R | b | r | В | Т | в | т | ||||||
| 3 | # | 3 | C | S | c | s | Г | У | г | у | ||||||
| 4 | $ | 4 | D | T | d | t | Д | Ф | д | ф | ||||||
| 5 | % | 5 | E | U | e | u | Е | Х | е | х | ||||||
| 6 | & | 6 | F | V | f | v | Ж | Ц | ж | ц | ||||||
| 7 | ‘ | 7 | G | W | g | w | З | Ч | з | ч | ||||||
| 8 | ( | 8 | H | X | h | x | И | Ш | и | ш | ||||||
| 9 | ) | 9 | I | Y | i | y | Й | Щ | й | щ | ||||||
| A | * | : | J | Z | j | z | К | Ъ | к | ъ | ||||||
| B | + | ; | K | [ | k | { | Л | Ы | л | ы | ||||||
| C | , | < | L | l | ½ | М | Ь | м | ь | |||||||
| D | - | = | M | ] | m | } | Н | Э | н | э | ||||||
| E | . | > | N | n | Щ | Ю | щ | ю | ||||||||
| F | / | ? | O | _ | o | П | Я | п | я |
Перевод HEX-кодов в десятичные числа
Таблица 8
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | А | В | С | D | E | F | |
| 0 | 0 | 16 | 32 | 48 | 64 | 80 | 96 | 112 | 128 | 144 | 160 | 176 | 192 | 208 | 224 | 240 |
| 1 | 1 | 17 | 33 | 49 | 65 | 81 | 97 | 113 | 129 | 145 | 161 | 177 | 193 | 209 | 225 | 241 |
| 2 | 2 | 18 | 34 | 50 | 66 | 82 | 98 | 114 | 130 | 146 | 162 | 178 | 194 | 210 | 226 | 242 |
| 3 | 3 | 19 | 35 | 51 | 67 | 83 | 99 | 115 | 131 | 147 | 163 | 179 | 195 | 211 | 227 | 243 |
| 4 | 4 | 20 | 36 | 52 | 68 | 84 | 100 | 116 | 132 | 148 | 164 | 180 | 196 | 212 | 228 | 244 |
| 5 | 5 | 21 | 37 | 53 | 69 | 85 | 101 | 117 | 133 | 149 | 165 | 181 | 197 | 213 | 229 | 245 |
| 6 | 6 | 22 | 38 | 54 | 70 | 86 | 102 | 118 | 134 | 150 | 166 | 182 | 198 | 214 | 230 | 246 |
| 7 | 7 | 23 | 39 | 55 | 71 | 87 | 103 | 119 | 135 | 151 | 167 | 183 | 199 | 215 | 231 | 247 |
| 8 | 8 | 24 | 40 | 56 | 72 | 88 | 104 | 120 | 136 | 152 | 168 | 184 | 200 | 216 | 232 | 248 |
| 9 | 9 | 25 | 41 | 57 | 73 | 89 | 105 | 121 | 137 | 153 | 169 | 185 | 201 | 217 | 233 | 249 |
| A | 10 | 26 | 42 | 58 | 74 | 90 | 106 | 122 | 138 | 154 | 170 | 186 | 202 | 218 | 234 | 250 |
| B | 11 | 27 | 43 | 59 | 75 | 91 | 107 | 123 | 139 | 155 | 171 | 187 | 203 | 219 | 235 | 251 |
| C | 12 | 28 | 44 | 60 | 76 | 92 | 108 | 124 | 140 | 156 | 172 | 188 | 204 | 220 | 236 | 252 |
| D | 13 | 29 | 45 | 61 | 77 | 93 | 109 | 125 | 141 | 157 | 173 | 189 | 205 | 221 | 237 | 253 |
| E | 14 | 30 | 46 | 62 | 78 | 94 | 110 | 126 | 142 | 158 | 174 | 190 | 206 | 222 | 238 | 254 |
| F | 15 | 31 | 47 | 63 | 79 | 95 | 111 | 127 | 143 | 159 | 175 | 191 | 207 | 223 | 239 | 255 |
Приложение 5
Задания
на лабораторные работы
по дисциплине «Основы информатики и программирования»
для группы № 21102
| Номер варианта (соответствует номеру фамилии в списке группы) | Лаб. раб. №3 «Линейный алгоритм» | Лаб. раб. №4 «Программирование разветвляющегося процесса» |
| 1 | 
|  , если х < 10;
  , если x> 10;
|
| 2 | 
|  , если х<15
 , если x>15
|
| 3 | 
| , если x>12
 , если x<12
|
| 4 | 
|  , если x<12
 , если x>12
|
| 5 |
|  , если x<14
 , если x>14
|
| 6 | 
|  , если x<16
, если x>16
|
| 7 | , если x<18 , если x>18 | |
| 8 | 
|  , если x<19
 , если x>19
|
| 9 | 
|  , если x<20
 , если x>20
|
| 10 | 
|  , если x<13
 , если x>13
|
| 11 | 
|  , если x>14
 , еслиx<14
|
| 12 | 
|  , если x>10
 , если x<10
|
| 13 | 
|  ,если x<6
 , если x>6
|
| 14 | 
| , если x<6 , если x>6 |
| 15 | 
| , если x<8
 , если x>8
|
| 16 | 
| , если x<9
, если x<9
|
