Estrutura e Arquitetura da Memória Cache

 

A memória cache é um tipo de memória de alta velocidade localizada próxima ao processador que armazena temporariamente os dados e instruções que são frequentemente acessados. Seu principal objetivo é reduzir o tempo de acesso aos dados, acelerando o desempenho do sistema, pois o processador pode acessar a cache muito mais rapidamente do que a memória RAM.

Estrutura e Arquitetura da Memória Cache

Níveis de Cache.

Cache L1 (Nível 1). 

É a cache mais rápida e mais próxima dos núcleos do processador. Normalmente, cada núcleo de um processador possui sua própria cache L1, que é dividida em duas partes: uma para instruções (Instruction Cache) e outra para dados (Data Cache). 

O tamanho da L1 é geralmente pequeno, variando entre 32KB e 128KB.

Cache L2 (Nível 2).

Está um pouco mais distante do núcleo do processador, mas ainda é muito rápida. Pode ser dedicada a cada núcleo ou compartilhada entre vários núcleos.

O tamanho da L2 é maior do que a L1, variando entre 256KB e 1MB por núcleo.

Cache L3 (Nível 3).

Compartilhada entre todos os núcleos do processador, a cache L3 tem um tamanho significativamente maior, geralmente variando entre 4MB e 64MB. 

Ela é mais lenta que as caches L1 e L2, mas ainda muito mais rápida que a RAM.

   

Organização e Mapeamento.

Mapeamento Direto 

Cada bloco de memória principal é mapeado para uma linha específica da cache. Isso simplifica o hardware, mas pode levar a conflitos de mapeamento quando diferentes blocos de memória competem pelo mesmo espaço na cache.

Associatividade por Conjunto

Um compromisso entre mapeamento direto e totalmente associativo. A cache é dividida em conjuntos, e cada conjunto pode armazenar várias linhas de cache. Um bloco de memória pode ser mapeado para qualquer linha dentro de um conjunto específico.

Associatividade Totalmente Associativa

Qualquer bloco de memória pode ser armazenado em qualquer linha da cache. Isso maximiza a flexibilidade, mas requer um hardware mais complexo para gerenciamento.

Política de Substituição

Quando a cache está cheia e um novo dado precisa ser armazenado, a política de substituição determina qual bloco de dados será descartado para dar lugar ao novo. As políticas comuns incluem:

• LRU (Least Recently Used): Substitui o bloco que não foi usado há mais tempo.
• FIFO (First In, First Out): Substitui o bloco mais antigo na cache.
• LFU (Least Frequently Used): Substitui o bloco que foi menos acessado.

Escrita na Cache

Write-Through

Quando o processador escreve na cache, o dado é imediatamente escrito também na memória principal. Isso garante que a memória principal esteja sempre atualizada, mas pode reduzir a velocidade.

Write-Back 

O dado é escrito na cache e só é transferido para a memória principal quando o bloco correspondente é substituído. Isso melhora a performance, mas exige um mecanismo para garantir a integridade dos dados em caso de falhas.

Miss e Hit

Cache Hit 

Ocorre quando o processador encontra os dados necessários diretamente na cache. Isso resulta em tempos de acesso muito rápidos.

Cache Miss 

Acontece quando os dados não estão na cache e precisam ser buscados na memória RAM ou em outro nível de cache. Isso aumenta o tempo de acesso.

Importância da Cache

A memória cache é essencial para otimizar o desempenho de sistemas de computação, minimizando a latência ao acessar dados e, consequentemente, acelerando o processamento. Ela atua como um intermediário entre o processador e a RAM, armazenando temporariamente os dados mais relevantes para que o processador possa acessá-los com a menor latência possível.

O caminho da memória cache refere-se ao processo e sequência de operações que ocorrem quando o processador busca, lê ou grava dados na cache. Esse caminho envolve várias etapas que determinam se o dado desejado está presente na cache (cache hit) ou se precisa ser recuperado de uma memória mais lenta, como a RAM (cache miss).