PDF de programación - Memoria / Memoria Caché I

MEMORIA

MEMORIA CACHÉ I





MEMORIA

MEMORIA CACHÉ I

© Todos los derechos de propiedad intelectual de esta obra pertenecen en exclusiva a la Universidad
Europea de Madrid, S.L.U. Queda terminantemente prohibida la reproducción, puesta a disposición del
público y en general cualquier otra forma de explotación de toda o parte de la misma.

La utilización no autorizada de esta obra, así como los perjuicios ocasionados en los derechos de
propiedad intelectual e industrial de la Universidad Europea de Madrid, S.L.U., darán lugar al ejercicio
de las acciones que legalmente le correspondan y, en su caso, a las responsabilidades que de dicho
ejercicio se deriven.

2





Índice

Presentación

La necesidad I

La necesidad II

Funcionamiento

Organización

¿Cómo se organiza la caché?

Tamaño

Función de correspondencia

¿Por qué la necesidad de una función de correspondencia?

Correspondencia directa I

Correspondencia directa II

Correspondencia directa III

¿Y qué parte de la dirección utilizar? ¿El principio del nombre como en la agenda?

¿Cómo interpretamos esta división?

¿Y qué es el resto de la división?

Correspondencia Directa IV

Ejemplo de función de correspondencia directa

Resumen

MEMORIA

MEMORIA CACHÉ I

4

5

7

8

10

10

12

14

14

16

18

20

20

20

20

21

23

24

3





Presentación

MEMORIA

MEMORIA CACHÉ I

En este tema, vamos a extender nuestros conocimientos con uno de los grandes avances en la

memoria de los computadores: la memoria caché.

Nos centraremos en ver:

La necesidad de la incorporación de la caché a los sistemas actuales.

La definición el concepto de conjunto de vecindad y su principio de funcionamiento.

El análisis de la estructura interna de la caché

Un estudio de uno de sus métodos de funcionamiento, el conocido como función de

correspondencia.

Un ejemplo de su funcionamiento.

Aunque este es un tema fácil, la experiencia nos dicta que resulta muy abstracto de entender.

Por lo tanto, te recomendamos que dediques el tiempo necesario y hagas de tu puño y letra el

ejemplo que aparece en la última pantalla de contenido, ya que, después de leer la teoría, es el

único método de afianzar los conocimientos adquiridos.

Una vez entendido este tema, el siguiente será mucho mas fácil de entender, ya que es una

prolongación de este y se basa en buscar optimaciones a este método que, aunque parezca

perfecto, tiene algunos puntos poco eficientes.

4





La necesidad I

MEMORIA

MEMORIA CACHÉ I

En la siguiente tabla, se presentan las características de tres tipos de memoria (en 2010).

Los datos de la misma muestran claramente a lo que nos hemos referido en temas anteriores

respecto a precio, rapidez y tamaño. Como ya sabemos, este problema se soluciona con la

jerarquía de memoria, por lo que pasaremos a ver por qué la caché.

La caché es una memoria de tecnología static RAM, lo que hace que sea una memoria

extremadamente rápida, pero el inconveniente es que es una memoria cara, que consume mucha

energía y que físicamente es grande. Por lo tanto, ha tenido que pasar mucho tiempo hasta que

este se integrase on-chip en los microprocesadores. Intel lo introdujo en su modelo 80486 allá por

el año 1990 (hace poco más de 20 años) con 16Kb de caché, lo que permitía un aumento del

doble en la ejecución de instrucciones.

El propósito de la memoria caché es reducir los tiempos de acceso de datos e instrucciones a la

velocidad del microprocesador, ya que este es mucho más rápido que el tiempo de acceso a

memoria, por lo que el microprocesador tiene que esperar a que los datos estén disponibles.

La caché reduce este tiempo aproximadamente a 1, es decir, hace que la velocidad de

microprocesador y de la caché sean prácticamente las mismas.

Para que esto ocurra, la caché tiene que estar a muy corta distancia del

microprocesador (milímetros), con un bus de comunicación de muy alta velocidad y

protegido de señales electromagnéticas para que la comunicación sea estable sin

necesidad de códigos correctores de errores. En definitiva, tiene que estar fabricada

dentro del propio micro controlador.

5





MEMORIA

MEMORIA CACHÉ I

6





La necesidad II

MEMORIA

MEMORIA CACHÉ I

En la imagen se puede ver un microprocesador de la familia Intel en el que se puede identificar la

caché L3. Las cachés L2 y L1 no son compartidas al estar dentro de los propio cores.

Para ser exactos, las cachés son los cuadrados amarillos que se diferencia en la esquina inferíos

derecha de cada Core. En la imagen se puede apreciar la relación de espacio ocupado por los

cores (unidades de trabajo) frente al espacio asignado por la cache, que es prácticamente la

misma.

Por tanto, el propio espacio disponible en el microprocesador es una limitación para el

tamaño de la caché.

7

MEMORIA

MEMORIA CACHÉ I



Funcionamiento

Básicamente, la caché sirve de almacén temporal de

datos que estarán disponibles para el microprocesador

a una velocidad mucho más rápida que la de la

memoria. Por otro lado, la memoria tiene que ser un

elemento autónomo, ya que el microprocesador no

tiene control sobre ella: es 100% autónoma. Lo único

que detecta el microprocesador es que los tiempos de

espera por los datos, se reducen a prácticamente 1.

Para ello, la memoria se coloca en medio de bus de comunicación entre el microprocesador y la

memoria. En realidad, como ya sabemos, eso no es del todo cierto pues la caché es en realidad

una interface de comunicaciones entre el bus local y el bus de sistema, que es donde se sitúa la

RAM. Sin embargo, a efectos de funcionamiento, podemos verla como antes se ha explicado.

Por tanto, cuando el microprocesador solicita el dato según una dirección, esta petición es

interceptada por la caché, que momentáneamente retiene la petición hasta comprobar si el dato

existe en caché o no, existiendo así dos posibilidades:

8





MEMORIA

MEMORIA CACHÉ I

El dato esta en caché, lo que se conoce como acierto de caché, respondiendo la caché
con el dato y no enterándose nunca la memoria de la petición de información. El

microprocesador solo detecta que el dato pasa a estar disponible en un tiempo record.

El dato no está en caché por lo que esta deja que la petición continúe propagándose por
los buses hasta llegar a la memoria RAM, quien atiende la petición y responde con el valor

almacenado en esa dirección. Este caso se conoce como fallo de caché. La caché se

quedará con una copia de este dato, para futuras referencias.

Aspectos a aclarar

Aspectos a aclarar

Es importante aclarar los siguientes aspectos:

La caché no tiene datos propios, solo copia de datos almacenados en la RAM, siendo

esta la que tiene todos los datos que el microprocesador puede direccionar.

La caché es mucho más rápida y pequeña que la RAM, por lo que solo un pequeño

conjunto de datos de la RAM puede estar simultáneamente en caché.

9





Organización

MEMORIA

MEMORIA CACHÉ I

La memoria caché tiene un método de acceso asociativo, lo que significa que los datos

almacenados en ella tienen asociado un valor al que llamaremos etiqueta y que se puede utilizar

para identificar el dato almacenado.

Además, la caché no guarda los datos igual que los guarda la RAM, en bytes, sino que los guarda

en bloques relacionados por cercanía. Los datos que la caché considera cercanos, conocidos
como conjunto de vecindad, varían con la implementación de la misma. Todos los valores de un
conjunto de vecindad tienen asociada una única etiqueta que se liga con el conjunto de vecindad,

no con los valores almacenados en la caché.

¿Cómo se organiza la caché?

Consideremos un ordenador con una capacidad de direccionamiento de memoria principal de
hasta 2n bytes direccionables, teniendo cada byte una única dirección de n bits. Consideremos
además una caché de tamaño mucho menor que 2n y organizada según C líneas y K bytes cada
línea (una línea es un conjunto de vecindad).

Imaginemos que la memoria está dividida en un número de bloques y que, cada bloque, es

curiosamente del mismo tamaño que el conjunto de vecindad (de longitud fija, de K bytes)
provocando que la memoria tenga M = 2n/K bloques. El número de líneas es considerablemente
menor que el número de bloques de memoria principal (C < < M).

Organización de la caché

Al definir la misma división de bloques en caché (la línea) y en memoria (cada bloque

imaginario), el movimiento de datos entre una y otra memoria es perfecto, pues un

bloque cabe perfectamente en la caché.

10





MEMORIA

MEMORIA CACHÉ I

Por tanto, en todo momento, un subconjunto de los bloques de memoria residirá en las líneas de

la caché. Ya que hay más bloques que líneas, una línea dada no puede dedicarse unívoca y

permanentemente a un bloque por lo que es aquí donde la etiqueta toma su importancia: cada

línea incluye una etiqueta que identifica qué bloque de memoria en particular está siendo

almacenado en una línea de caché. La etiqueta es usualmente una porción de la dirección de

memoria principal, como describiremos más adelante en este tema.

Identificar el dato almacenado

Es como si dijésemos que tenemos una memoria que puede almacenar datos que, en lugar
de almacenarse en una dirección de memoria, se almacenan con un nombre (guarda
peso=40, lee edad, guarda altura=1,45).

Organización de la caché

11





Tamaño

MEMORIA

MEMORIA CACHÉ I

La elección del tamaño de la caché es una
cuestión crítica en el diseño de un
microprocesador
hemos
especificado algunas causas: precio, espacio,

actual.

Ya

consumo eléctrico, etc., pero el principal motivo

de elección es la efici