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Memorie

La memoria di un calcolatore solitamente è composta da molteplici strati, realizzati per velocizzare gli accessi.

Ogni strato offre lettura più veloce, ma è più costoso da realizzare e ha consumi più alti.

In ordine di velocità, sono:

• Registers
• Cache L1
• Cache L2
• Cache LX
• Random Access Memory
• Solid State Drive
• Hard Disk Drive

Cache

Cache L1

Piccola, ma miss penalty bassa

Cache L2

Molto grande, ma miss penalty alta

Direct mapping

Una cache direct mapped associa a ogni indirizzo di RAM un indice uguale agli N bit meno significativi dell'indirizzo dell'inferiore, e un tag uguale agli N bit più significativi.

Se durante un accesso il tag di un blocco è diverso dal tag dell'indirizzo a cui vogliamo accedere, si ha un cache miss.

Il dato di cui abbiamo bisogno è contenuto nell'indirizzo 0x0ABC della RAM. Il suo indice sarà 0xBC, e il suo tag sarà 0x0A. Essendo la cache vuota all'inizio, viene immediatamente caricato.

Voglio poi accedere all'indirizzo 0x0BBC della RAM. Controlliamo il blocco con indice 0xBC: il suo tag è 0x0A, ma noi stiamo cercando 0x0B! Si ha quindi un cache miss, e devo andare a prendere dalla memoria il dato che sto cercando e scriverlo sulla RAM.

Inoltre, in ogni blocco di memoria della cache è presente un bit di validità, che rappresenta se il dato in cache è stato inizializzato o no: parte da 0 e viene impostato a 1 quando viene caricato dalla RAM un dato nel relativo blocco.

Un esempio potrebbe essere un processore con blocchi di memoria da 32 bit e indirizzi a 64 bit: la cache, contenente 1024 blocchi di memoria, avrà index a 12 bit, e di conseguenza il tag sarà grande 52 bit.

Dimensione blocchi

Fare blocchi grandi o fare blocchi piccoli ha significative differenze sulla velocità della cache:

Avere blocchi più grandi significa che ci saranno meno blocchi in tutta la cache, quindi:

+ Riduce il miss rate per il principio di località spaziale
- Avendo una quantità minore di blocchi, aumenta la possibilità di conflitto
- La miss penalty è più alta
# La miss penalty è compensabile con tecniche come early restart o critical-word-first

Con blocchi più piccoli, invece

+ Miss penalty minore
+ Più blocchi significa meno conflitti
- E' possibile che abbia bisogno di fare più di una richiesta alla cache, rallentandola significativamente

Scrittura tramite cache

Quando scrivo in memoria un dato presente nella cache, l'informazione presente nella cache diventa errata.

Si può risolvere questo problema con una politica di riscrittura:

• Write-through
• Write-back

Write-through

Quando viene scritto su dato in cache, aggiorna tutte le memorie che lo contengono.

+ Non necessita di ulteriore memoria di cache
+ Caricare dati è veloce
+ Se si verifica un write miss non ha per forza bisogno di portare in cache il dato da scrivere
- I write richiedono molto più tempo, soprattutto se ripetuti

Write-back

Scrivi la modifica di dato solo nella cache, e marca il blocco come dirty.

Quando un blocco dirty viene sovrascritto, aggiorna le memorie che lo contengono.

+ I write richiedono poco tempo, anche se ripetuti
- Caricare dati dalla RAM è più lento
- Necessita di memoria da dedicare al dirty bit
- Devo fetchare obbligatoriamente i dati da sovrascrivere

Miglioramenti alle policy

E' possibile utilizzare un write buffer invece che fare attendere il tempo di scrittura alla CPU. I dati saranno scritti successivamente, ma prima che questi vengano utilizzati.

+ Il processore non ha bisogno di fermarsi per le write
- Il buffer potrebbe riempirsi, neganode i vantaggi
- Il buffer utilizza memoria che forse sarebbe stata più utile come cache

Fully associative

Ogni dato può essere messo in qualunque indirizzo della cache.

Richiede che l'indirizzo di origine venga salvato assieme al dato, e tanti comparatori.

Set associative

Divido tutti i blocchi di cache in vie.

Ogni via può contenere n dati.

Un set è l'insieme dei dati che hanno lo stesso index ma sono in vie diverse.

Ogni dato può essere messo in qualunque indirizzo del set a cui appartiene.

Identifico il numero di set di appartenenza facendo indirizzo % numerodiset.

Una cache 1-way Set Associative è una cache Direct Mapped, mentre una cache numeroentries-way Set Associative è una cache Fully Associative.

Quando non c'è spazio in un set, rimpiazzo un dato secondo la politica Least Recently Used, rimuovendo il dato usato meno recentemente. Posso usare anche la politica Random, se ho un'alta associatività.

Performance

Più una cache è associativa, più il miss rate sarà ridotto, ma l'associatività richiede un maggior numero di comparatori e potenzialmente più ritardi nella restituzione del dato.

Inoltre, la percentuale di miss non diminuisce linearmente con il numero di vie: dopo un certo numero di vie, i guadagni sono molto ridotti.