Memrias cache Organizao de Computadores CPU procura por

Memórias cache Organização de Computadores • CPU procura por dados em L 1, depois em L 2 e finalmente na memória principal CPU registradores barramento de cache L 2 cache L 1 cache interface de barramento ALU barramento de de sistema memória ponte E/S memória principal

Organização geral da memória cache Organização de Computadores 1 bit válido t bits para B = 2 b bytes por linha tag por linha por bloco de cache conj. 0: S = 2 s sets conj. 1: valid tag 0 • • • 0 1 • • • B– 1 1 • • • B– 1 • • • conj. S-1: valid tag 0 • • • 0 Tamanho da cache: C = B x E x S bytes E linhas por conjunto

Endereçamento de cache Organização de Computadores Endereço A: t bits conj. 0: conj 1: v tag 0 • • • 0 1 • • • B– 1 1 • • • B– 1 • • • conj. S-1: v tag 0 • • • 0 s bits b bits m-1 0 <tag> <índ. conj. > <offset> A palavra no endereço A está na cache se os bits de tag em uma das linhas válidas no conjunto <ind. conj. > são idênticos aos bits do campo <tag>. O conteúdo da palavra começa no deslocamento de <offset> bytes a partir do início do bloco

Cache mapeada diretamente Organização de Computadores • Forma mais simples • Caracterizada por ter uma linha por conjunto conj. 0: valid tag bloco da cache conj. 1: valid tag bloco da cache • • • conj. S-1: valid tag bloco da cache E=1 linha por conjunto

Acesso a caches mapeadas diretamente Organização de Computadores • Seleção do conjunto feita pelos bits de índice de conjunto conj. selecionado conj. 0: valid tag bloco da cache conj. 1: valid tag bloco da cache • • • t bits m-1 tag s bits 0 0 1 ind. conj b bits offset conj. S-1: valid 0 tag bloco da cache

Acesso a caches mapeadas diretamente Organização de Computadores • Encontre uma linha válida no conjunto selecionado com campo tag idêntico a bits de tag e extrai a palavra desejada =1? (1) O bit válido tem que ser 1 conj. (i) selecionado: 0 1 0110 1 2 3 4 w 0 5 w 1 w 2 (2) Os bits de tags na linha da cache tem que casar = ? com os bits de tag do endereço m-1 t bits 0110 tag s bits b bits i 100 ind. conj. offset 6 7 w 3 (3) Se (1) e (2), então acerto, e offset seleciona o byte inicial. 0

Exemplo de cache mapeada diretamente Organização de Computadores t=1 s=2 x xx b=1 x v 11 M=endereço para 16 células, B=2 bytes/bloco, S=4 conj. , E=1 linha/conj. Acessos a endereços (leituras): 0 [00002], 1 [00012], 13 [11012], 8 [10002], 0 [00002] (miss) tag data 0 m[1] m[0] M[0 -1] (1) (3) v 1 (4) 13 [11012] (miss) v tag data 8 [10002] (miss) tag data 1 1 m[9] m[8] 1 1 M[12 -13] 0 m[1] m[0] M[0 -1] 1 1 1 m[13] m[12] M[12 -13] v M[8 -9] 1 1 1 (5) 0 [00002] (miss) tag data 11 0 m[1] m[0] M[0 -1] 11 1 m[13] m[12] M[12 -13]

Caches associativas por conjunto Organização de Computadores • Caracterizadas por mais de uma linha no conjunto conj. 0: conj. 1: valid tag bloco de cache • • • conj. S-1: valid tag bloco de cache E=2 linhas por conj.

Acesso a caches associativas por conjuntos Organização de Computadores • Seleção do conjunto é igual à memória mapeada diretamente conj. 0: Conj. selecionado conj. 1: valid tag bloco de cache • • • t bits s bits 0 0 1 m-1 tag b bits ìnd. conj. offset 0 conj. S-1: valid tag bloco de cache

Acesso a caches associativas por conjunto Organização de Computadores • Compara o tag de cada linha válida do conjunto selecionado =1? (1) Bit válido deve ser 1. 0 conj. (i) selecionado): 1 1001 1 0110 (2) Os bits de tag em uma das linhas de cache tem que casar com bits de tag do endereço 1 2 3 4 5 w 0 w 1 w 2 m-1 7 w 3 (3) Se (1) e (2), então acerto, e offset seleciona byte inicial. = ? t bits 0110 tag 6 s bits i ind. conj. b bits 100 offset 0

Caches totalmente associativas Organização de Computadores • Caracterizadas por um único conjunto conter todas as linhas conj. 0: valid tag bloco de cache • • • valid tag bloco de cache E=C/B linhas em um único conjunto

Acesso a caches totalmente associativas Organização de Computadores • Conjunto 0 é sempre selecionado conj. 0: valid tag bloco de cache • • • t bits m-1 tag b bits offset 0 valid tag bloco de cache

Acesso a caches totalmente associativas Organização de Computadores • Compara tag do endereço com campo tag da cache =1? (1) Bit válido deve ser 1. 0 cache inteira: 1 1001 0 0110 1 1001 = ? 0110 0 (2) Os bits de tag em uma das linhas de cache tem que casar com bits de tag do endereço 1 2 3 4 w 0 =? m-1 t bits b bits 1001 100 tag offset 0 5 6 w 1 w 2 7 w 3 (3) Se (1) e (2), então acerto, e offset seleciona byte inicial.

Algoritmo de substituição de dados Organização de Computadores • Consiste em determinar qual o bloco da memória cache deve ser retirado para ceder lugar a outro por ocasião de uma falta • No mapeamento direto não há opção! • Nos demais mapeamentos … – LRU - Least Recently Used – FIFO - First In First Out – LFU - Least Frequently Used – Escolha aleatória (*)

Política de escrita I Organização de Computadores • A escrita é sempre realizada na cache pela CPU. Quando deve ser realizada na memória principal? • Problema: vários processos em várias CPU ou dispositivos de E/S podem acessar um mesmo bloco na MP – valores diferentes para um mesmo dado! • Políticas de escrita. . . – write through – write back – write once

Política de escrita II Organização de Computadores • Escrita em ambas (write through) – Sempre que se escreve na cache, escreve-se na memória principal – Pode haver queda no desempenho • Escrita somente no retorno (write back) – Escreve apenas quando o bloco é substituído: há bit de alteração – A memória principal pode ficar desatualizada (ex: E/S via DMA)