La memoria caché

1. Introducción. La memoria caché.

La memoria caché es una memoria pequeña y muy rápida ubicada en el segundo nivel de la jerarquía de memoria. Su principal objetivo es almacenar “trocitos” de la memoria principal para que el procesador pueda acceder a ellos de manera más rápida y eficiente.
Sin embargo, la memoria caché tiene un coste por bit relativamente alto, es por eso que suele tenermucha menos capacidad que otros tipos de memoria (unos MB frente a los varios GB que puede tener una memoria RAM estándar o los TB que pueden llegar a tener los soportes de almacenamiento tales como discos duros, etc).
La memoria caché tiene una estructura de marcos (como si fueran huecos) en los cuales se pueden colocar bloques (los “trocitos”) de la memoria principal. De esta manera, segúndemanda el procesador, se van moviendo bloques de la memoria principal a la memoria caché para que éste pueda acceder a ellos rápidamente (previo paso por los registros, que son el nivel más alto de la jerarquía, aún más rápido y caro).
Todos estos movimientos necesitan haber sido programados en base a una serie de criterios o políticas que son las que rigen, por ejemplo, dónde se ubica un bloque quesube a la memoria caché, o qué bloque se quita para dejar hueco a uno nuevo.
Estas políticas son:
- Política de ubicación: Determina en qué marcos se van a colocar los bloques que se transfieren de la memoria principal a la caché.
- Política de extracción: Mediante esta política se decide qué información se mueve desde la memoria principal a la caché, y en qué momento.
- Política de remplazo:Al ser tan pequeña, la memoria caché se llena fácilmente, por lo que es necesario liberar algunos marcos y hacer hueco para la información que pueda demandar el procesador. Esta política se encarga de decidir qué información se saca de la memoria caché para dejar espacio a la nueva.
- Política de escritura: Establece cuando los cambios realizados en la memoria caché son actualizados en la memoriaprincipal, para evitar tener la misma variable con datos diferentes en la memoria principal y en la caché, por ejemplo.
A continuación, veremos en detalles algunos ejemplos asociados a cada tipo de política.

2. Políticas de ubicación.

Las tres principales políticas de ubicación son la política directa, la política asociativa y la política asociativa por conjuntos.
a) Política directa:consiste en asignar a cada bloque de memoria principal un “hueco” específico en la caché. De esta manera no es necesaria una política de remplazamiento, ya que cada vez que se referencia un bloque de la memoria principal, ya se sabe de antemano el lugar que va a ocupar.

b) Política asociativa: consiste en que cada vez que se carga un bloque de la memoria principal en la memoria caché, éste sepueda ubicar en cualquier espacio. Esto hace que se pueda sustituir cualquier bloque de la caché (lo cual suele ser mejor si se trata de bloques que se usan poco). Sin embargo, la implementación de esta política es mucho más complicada y costosa.
c) Política asociativa por conjuntos: Es un término medio entre las dos anteriores. Es similar a la asociativa, pero en este caso en lugar de poder ubicarun bloque en cualquier posición de toda la memoria caché, se limita a una región determinada de ésta. Es decir, la memoria caché se divide en zonas, dentro de cada una de las cuales caben varios bloques. Entonces se limita la zona a la que puede ir cierto bloque de la memoria principal, pero dentro de dicha zona puede ocupar cualquier posición.

3. Políticas de extracción.

Las políticas deextracción suelen ser de búsqueda bajo demanda, o bien de búsqueda anticipada.
a) La búsqueda bajo demanda consiste simplemente en buscar el bloque deseado en la memoria principal y trasladarlo a la caché en el mismo momento en que se necesite dicho bloque.
b) La búsqueda anticipada consiste en trasladar, no solo el bloque demandado en un momento dado, sino también el que contenga información...