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Memória Cache
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Princípio da Localidade
Apenas uma parte relativamente pequena do espaço de endereçamento dos programas é acessada em um instante qualquer Localidade Temporal Um item referenciado tende a ser referenciado novamente dentro de um espaço de tempo curto Localidade Espacial Se um item é referenciado, itens cujos endereços sejam próximos ao dele tendem a ser logo referenciados
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Localidade em Programas
Localidade temporal: Em função de sua estrutura, as instruções e dados da maioria dos programas tendem a ser acessados de maneira repetitiva Localidade espacial: As instruções são acessadas quase sempre de maneira seqüencial Elementos de arrays ou registros
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Níveis de Memória - 01 Dados sempre copiados entre níveis de memória adjacentes Análise focada apenas em dois níveis, um superior e um inferior Bloco: Unidade mínima de informação trocada entre níveis
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Níveis de Memória - 02 Processador Dados transferidos
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Taxa/Razão de Acertos Mede desempenho da Hierarquia Acerto: Falta:
Informação solicitada pelo processador encontra-se no nível superior Taxa de acerto: fração de acessos com acerto Falta: Informação solicitada pelo processador não se encontrada no nível superior Nível inferior acessado em busca do bloco. Taxa de faltas = (1 – taxa de acerto)
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Tempo de Acerto e Penalidade por Faltas
Determinam a eficiência da implementação de uma hierarquia de memória Tempo de acerto – tempo para acesso ao nível superior, incluindo o tempo para determinar o acerto ou falta Penalidade por falta – tempo para a substituição dos blocos mais o tempo de envio da informação ao processador Tempo de acerto <<< penalidade por falta
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Memória Cache Originalmente, nível da hierarquia de memória situado entre o processador e a memória principal Termo estendido para qualquer memória gerenciada de modo a tirar vantagem da localidade de acesso
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Características - 01 Diminui o gargalo existente entre processador e memória principal Diferença de velocidade 5 a 10 vezes mais rápidas que a memória principal Ligada diretamente à MP
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Características - 02 Tecnologia semelhante à da CPU e, em conseqüência, possui tempos de acesso compatíveis com a mesma, resultando numa considerável redução da espera da CPU para receber dados e instruções da cache
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Níveis De Cache - 01 L1 – Level 1 (nível 1) Dentro do processador
Mesma velocidade do processador L2 – Level 2 (nível 2) Dentro do invólucro, fora do chip Metade da velocidade do processador L3 – Level 3 (nível 3) Cache externa, situada na placa mãe
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Níveis De Cache - 02 Invólucro do processador Processador Memória
principal Processador Cache L2 Cache L1
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Divisão da Cache L1 A cache L1 é geralmente dividida em cache de dados e cache de instruções: processamento mais rápido processador dados instruções Cache L1
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Localidade Devido ao princípio da localidade, é interessante que a memória cache armazene o pedaço do programa que é executado repetidas vezes, deixando o restante do programa que não está sendo utilizado na memória principal
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Utilização da Cache - 01 Sempre que o processador vai buscar uma nova instrução (ou dado), ele acessa a memória cache: Se a instrução estiver na cache (acerto ou hit), ela é transferida em alta velocidade para o processador Se a instrução não estiver na cache (falta ou miss), a execução do programa é interrompida e a instrução desejada é transferida da MP para a MC
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Utilização da Cache - 02 Não é feita a transferência somente da instrução, mas sim de um bloco que, segundo o princípio da localidade, contém instruções que serão usadas em seguida
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controlador de cache Memória principal Cache Processador Palavra (instrução ou dado) Bloco de palavras
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Elementos de Projetos de uma Cache
Função de mapeamento MP/MC Algoritmos de substituição de dados na cache Políticas de escrita
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Função de Mapeamento A função de mapeamento indica quais blocos da MP estão presentes na cache e onde eles estão localizados na cache A MC e MP estão divididas em blocos de x palavras A MC pode conter m blocos (linhas) A MP pode conter b blocos
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. Bloco 0 Byte 0 Byte 1 Byte 63 Bloco 1 Bloco 226 -1 MP Divisão da MP de 4G bytes em blocos de 64 bytes então tem-se 226 blocos de 64 bytes
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MC ... Linha 0 ... Linha 1 ... Linha 2 . ... Linha 1023
Byte 63 Byte 1 Byte 0 ... Linha 1 Byte 63 Byte 1 Byte 0 ... Linha 2 Byte 63 Byte 1 Byte 0 . ... Linha 1023 Byte 63 Byte 1 Byte 0 Divisão da MC de 64K bytes em linhas de 64 bytes então tem-se 1024 linhas de 64 bytes Tag ou rótulo
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Mapeamento Direto - 01 Cada bloco da MP tem uma linha de cache previamente definida para ser armazenado Muitos blocos irão ser destinados a uma mesma linha
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Bloco 1023 ... Byte 0 Byte 1 tag B 0 Linha 0 Byte 63 Linha 1 Linha 2
226 -1 ... Linha 0 Linha 1 Linha 2 Linha 1023 tag Bloco 1023
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Mapeamento Direto - 02 Cada linha da MC deverá acomodar 216 blocos ou blocos (um de cada vez) O campo tag serve para identificar qual bloco a linha está armazenando no momento
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Mapeamento Direto - 03 Cada endereço de MP pode ser dividido nos seguintes elementos: Número do bloco na linha Número da linha Número do byte 16 bits 216= 64K blocos 10 bits 210= 1024 linhas 6 bits 26= 64 bytes 32 bits
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Mapeamento Direto - 04 Exemplo:
O processador manda para a MC o seguinte endereço: 4 25 8
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Tag ou rótulo ... Linha 0 Linha 1 Linha 2 Linha 1023
Byte 0 Tag ou rótulo Byte 1 Byte 63 ... Linha 0 Linha 1 Linha 2 Linha 1023 4 25 8 Byte 8 Linha 25
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Mapeamento Direto - 05 Se o campo tag do endereço for igual ao campo tag da linha da cache, o conteúdo do byte solicitado é enviado para o processador
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Mapeamento Direto - 06 Se os campos tag forem diferentes, isso significa que o bloco desejado não se encontra na cache e, portanto, deve ser transferido da MP para a linha 25, substituindo o atual bloco para, em seguida, a palavra (o byte) requerida ser transferida para o processador pelo barramento de dados
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Mapeamento Direto - 08 A técnica de mapeamento direto é simples e de baixo custo Desvantagem: fixação da localização para os blocos Imagine se durante a execução de um programa um dado código fizer referências repetidas a palavras situadas em blocos alocados na mesma linha, então haverá necessidade de sucessivas idas à MP para substituição de blocos (muitas faltas) e queda no desempenho do sistema
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Mapeamento Associativo - 01
Os blocos não têm uma linha fixada previamente para seu armazenamento O bloco é armazenado em uma linha que é selecionada de acordo com o algoritmo de substituição de cache
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... Byte 0 Byte 1 tag B 0 Linha 0 Byte 63 Linha 1 Linha 2 B 1
226 -1 ... Linha 0 Linha 1 Linha 2 Linha 1023 tag
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Mapeamento Associativo - 02
Cada linha da MC pode acomodar um dos 226 blocos da memória principal O campo tag tem agora 26 bits de tamanho
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Mapeamento Associativo - 03
Cada endereço de MP é dividido nos seguintes elementos: Número do bloco Número do byte 26 bits 226 blocos 6 bits 26 bytes 32 bits
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Mapeamento Associativo - 04
Quando o processador realiza um acesso à memória, o campo bloco do endereço é comparado com todos os tags da cache para verificar se o bloco está ou não presente
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Mapeamento Associativo - 05
Se o bloco estiver presente, o byte é transferido para a CPU senão o endereço do bloco é usado para buscar na memória principal o bloco ausente
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Mapeamento Associativo - 06
Desvantagem: teste do campo bloco do endereço de memória com todos os tags da cache
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Mapeamento Associativo por Conjunto de N Posições - 01
Esquema intermediário entre o direto e o totalmente associativo Número fixo de posições onde um bloco pode ser armazenado na cache Cache associativa de n posições: n posições possíveis para cada bloco Cache com conjuntos de n posições Blocos mapeados diretamente em um conjunto e colocado em qualquer elemento do conjunto
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Bits de Validade Quando o processador é inicializado, a cache está vazia e os rótulos não têm significado Bits de validade são adicionados à cache para identificar se um bloco tem informações válidas Bit igual a zero -> Informação inválida
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Tratamento de Faltas – 01 Atividades do controle principal:
Parar o processador Congelar o conteúdo dos registradores Um controle separado trata as faltas: Busca a informação necessária na memória Atualiza a informação na cache Execução retomada no ciclo gerador da falta
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Tratamento de Faltas – 02 Enviar à memória o valor original de PC
Comandar uma leitura da unidade de memória e esperar o resultado Escrever o resultado da leitura na entrada da cache, seu rótulo e bit de validade Reiniciar a execução da instrução no passo 1
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Parada em Uso Técnica para redução do número de ciclos parados pela falta no acesso à cache Baseia-se no processamento de outras instruções durante o tratamento de faltas Na falta produzidas pelo acesso a dados novas instruções que não dependem do dado podem ser executadas Não ajuda para faltas no acesso a instruções Geralmente, não mostra ganhos expressivos pela dependência do dado sendo acessado
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Algoritmos De Substituição De Cache - 01
Qual bloco atualmente armazenado na cache deve ser retirado para dar lugar a um novo bloco que está sendo transferido? LRU (Least Recently Used): O controlador de cache escolhe o bloco que está há mais tempo sem ser utilizado pela CPU FIFO (First in first out): O controlador de cache escolhe o bloco que está armazenado há mais tempo na cache, independentemente de estar sendo usado ou não com freqüência pela CPU
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Algoritmos De Substituição De Cache - 02
LFU (Least Frenquently Used): o controlador de cache escolhe o bloco que tem tido menos acessos (menos referências) por parte da CPU Escolha aleatória
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Políticas de Escrita pela Memória Cache - 01
Quando o processador realiza uma operação de escrita, esta acorre imediatamente na cache A memória cache é uma memória intermediária logo é necessário que a MP seja atualizada para que o sistema mantenha sua correção e integridade
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Antes da execução da instrução X = Y + Z Memória Principal Cache
Processador X = 1 Y = 7 Z = 2 X = Y + Z X = 1 Y = 7 Z = 2 X = Y + Z X = Y + Z Bloco 4 Bloco 4
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Depois da execução da instrução X = Y + Z Memória Principal Cache
Processador X = 1 Y = 7 Z = 2 X = Y + Z X = 9 Y = 7 Z = 2 X = Y + Z X = Y + Z Bloco 4 Bloco 4
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Processador Processador Processador X = Y + Z Cache X = 1 Cache X = 1 cache X = 9 X = 9 X = 9 X = 9 MP X = 1
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Políticas de Escrita pela Memória Cache - 02
O bloco 4 (o valor de X) precisa ser atualizado na memória Quando? Depende da política de escrita
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Write Through - 01 Cada escrita em uma palavra da cache acarreta em uma escrita na palavra correspondente na MP, assegurando validade permanente e igual ao conteúdo de ambas as memórias Caso haja outras CPUs, estas alterarão também suas caches
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Write Through - 02 Simples, mas não favorece o desempenho
Qualquer escrita faz com que a informação seja escrita também na memória principal Aumento do número de ciclos de clock Buffer de escrita: Armazena o dado enquanto este aguarda sua escrita na memória Reduz o problema das escritas na mem. principal Buffer cheio – Processador parado em escritas
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Write Through - 03 Faltas de escrita:
Processador simplesmente atualiza a memória principal, como antes Não ocorrem leituras da memória principal durante a escrita pelo processador
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Write Back Quando ocorre uma escrita, o novo valor é escrito apenas no bloco da cache O bloco só será escrito na memória principal quando ele precisar ser substituído na cache Pode melhorar muito o desempenho, porém é mais complexo que o write- through
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Tamanho do Bloco – 01 Relaciona-se com a exploração da localidade espacial e desempenho Em geral, a taxa de faltas cai com o aumento do tamanho do bloco
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Tamanho do Bloco – 02 Taxa de faltas pode crescer se o bloco representar uma fração considerável do tamanho da cache Pequeno número de blocos -> Alta competição Blocos retirados da cache sem muita exploração
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