Memoria Cache

Arquitectura
de Computadores
7. Memoria Caché
1. Fundamento e Introducción
2. Estructura
3. Políticas de Ubicación
4. Políticas de Sustitución
5. Políticas de Escritura
6. Otras Consideraciones
Arquitectura de Computadores

Memoria Caché - 1

En el capítulo anterior comenzamos a ver cómo mejorar las prestaciones de un ordenador
convencional. Lo hicimos empezando por ver la forma deaumentar el ritmo de ejecución de
instrucciones en la CPU.
Ahora vamos a ocuparnos de cómo mejorar el tiempo de acceso a los datos que están en memoria
principal. Para ello incorporaremos la memoria caché, un nuevo nivel en la jerarquía de memorias
situado entre la CPU y la memoria principal.
Veremos cómo una memoria tan pequeña (en comparación con la memoria principal) puede ser
tan útil, ylas maneras en que se puede organizar para aprovecharla de la mejor manera posible.

Arquitectura de Computadores

Memoria Caché - 1

Jerarquías de Memoria

Memoria Caché

Coste por bit

Registros

Capacidad

Caché N1-N2

Tiempo de acceso
Frecuencia de acceso

Memoria Principal
Disco Magnético
Cinta Magnética

¿

Quién se ocupa
del transvase
entre memorias

DiscoÓptico

?

- La CPU/MMU
- El S. O.

Arquitectura de Computadores

Memoria Caché - 2

Como vimos en el capítulo de la memoria principal, un ordenador debe construirse con diversos
niveles de memoria organizados en una jerarquía, de tal manera que se pueda obtener, como
conjunto, una memoria de mucha capacidad, rápida y barata.
Recordemos la pirámide de memoria en la que, a medida que seva de arriba hacia abajo, sucede
lo siguiente:
• Disminuye el coste por bit
• Aumenta la capacidad
• Aumenta el tiempo de acceso
• Disminuye la frecuencia de acceso a la memoria desde la CPU
La clave de la solución está en este último punto: la decreciente frecuencia de acceso. Esto
simplemente quiere decir que no se accede a todos los datos con la misma frecuencia; obviamente
se accedemás a los datos del programa en ejecución que a los de uno que no se ejecuta desde
hace un año; y de igual manera, en un momento dado se accede más a los datos de una expresión
que se está evaluando en ese preciso instante que a otros datos del programa.
En este capítulo vamos a ocuparnos de la memoria caché. Comenzaremos por ver cómo una
memoria tan pequeña (en comparación con la memoriaprincipal) puede ser tan útil.

Arquitectura de Computadores

Memoria Caché - 2

Fundamento

Memoria Caché

¿

Por qué es tan útil
una memoria tan pequeña

?

Principio de la
Localidad de Referencia
Los accesos a memoria que realiza la CPU
no están uniformemente distribuidos
por todo el espacio de direccionamiento,
sino que se concentran, temporalmente,
solamente en ciertas áreasde la
memoria.

Arquitectura de Computadores

CPU
(bytes)

Caché
(Kbytes)

Memoria
Principal
(Mbytes)

Memoria Caché - 3

La efectividad del mecanismo de la memoria caché se basa en una propiedad de los programas
denominada “localidad de referencia” y que comentamos a continuación.
El Principio de Localidad de Referencia dice que los accesos a memoria que realiza la CPU noestán uniformemente distribuidos por todo el espacio de direcciones, sino que, temporalmente, se
concentran en áreas de la memoria.
Lo que establece este principio se debe a que el contenido de cada programa no está esparcido
por toda la memoria, sino que sus instrucciones y datos están contenidos en una o varias
secciones de memoria contigua, por lo que los accesos a la memoria se concentran enlas áreas
donde están las instrucciones o los datos del programa en ejecución.
El análisis de los programas muestra que la mayoría del tiempo de ejecución se dedica a rutinas
en las que una serie de instrucciones se ejecutan repetidamente. Estas instrucciones pueden estar
formando parte de un bucle, bucles anidados, o unos cuantos procedimientos a los que se llama
iterativamente. Por...