Memoria acache

MEMORIAS CACHÉ

Daniel A. Fernández

OBJETIVOS:
Explicar el funcionamiento de las memorias cachés así como los principios en que se basan para trabajar y la manera en que estas mejoran el rendimiento general de la computadora.
Diferenciar los niveles de caché, los tipos de caché y su jerarquía.


El término caché (cashé) puede parecernos una palabra del inglés (estando tan acostumbradoa palabras como hardware, software, main memory, etc) pero en realidad esta palabrita viene del francés y significa oculto/escondido. La memoria caché consiste en un pequeño pero muy veloz modulo de memoria de tipo SRAM el cual se coloca entre la memoria principal y el microprocesador para incrementar la velocidad en que las palabras de memoria llegan al microprocesador.
¿Cómo logra esto lamemoria caché? Para entenderlo primero hay que entender el problema: En las últimas décadas, la velocidad de las unidades de proceso, se ha duplicado cada 18 meses sin variar su precio (Ley de Moore) y simultáneamente, las memorias de computadora, han experimentado un incremento similar, cuadriplicando su tamaño cada 36 meses. Sin embargo, la velocidad de las memorias ha ido aumentando a razón demenos de un 10% anual. Así a medida que aumenta la velocidad del procesador junto al tamaño de las memorias, aumenta la brecha entre sus velocidades.


En los primeros sistemas no había problema pues tanto microprocesador como memoria principal trabajaban a casi la misma velocidad, pero en la actualidad existe una gran diferencia entre las velocidades y es más a mediada que pasa el tiempoaumenta aun más. Un microprocesador hoy en día trabaja a una velocidad de un orden cercano a los 3.5Ghz (Intel P4), y la memoria a otra mucho menor (Las del tipo DDR2 trabajan entre 667 y 800 Mhz), entonces cuando el procesador tenga que tomar/dejar datos en memoria tendrá que “esperar” a la memoria. Por lo general el CPU ejecuta sólo una operación de cálculo por cada 3 o 4 lectura/escritura, así enpromedio sólo el 20% del tiempo se estará trabajando a la velocidad del CPU y el 80% a la velocidad de la memoria.
La memoria caché, al ser una memoria del tipo estático trabaja a una velocidad muy cercana a la del microprocesador (la diferencia es despreciable por eso se dice que trabajan a la misma velocidad) a diferencia de la memoria principal que es del tipo DRAM (dinamic RAM) y por lotanto mucho más lenta. Ahora, quizás surja la pregunta ¿entonces porque no hacer una memoria principal del tipo SRAM? La respuesta se resume en una palabra: costo. Una memoria del tipo estático tiene una electrónica mucho más compleja que la dinámica (6 transistores por bit estático contra solo 1 por bit dinámico) y consume mucha más energía. Una memoria principal estática resulta inconcebibledebido al costo astronómico que tendría y el inmenso consumo de energía que representaría (al menos en la actualidad). Por otro lado una memoria del tipo dinámico es tan barata que pueden crearse tarjetas de memorias de capacidades impresionantes por un costo relativamente bajo (1, 2, 4 o más GB).
De lo anterior podemos deducir que las memorias caches tampoco pueden ser muy grandes debido al costoque representarían. Pero no importa, no hace falta que sea una memoria muy grande con unos pocos Kb es más que suficiente (realmente diminuto en comparación a los GB de las memorias DRAM actuales). El siguiente esquema representa un microprocesador sin caché junto a uno con caché.





¿Por qué basta con tan poco espacio de caché? Todo surge de algo llamado principio de localidad el cualdice que el 90% del tiempo se utiliza sólo el 10% del código de un programa. Generalmente cuando un programa accede a una locación de memoria, muy probablemente vuelva a acceder a ella en un corto periodo de tiempo, esto se llama localidad temporal. En forma similar existe una localidad espacial ya que cuando se accede a una posición de memoria es mucho más probable que el próximo acceso sea a...