O uso de memórias cache visa obter uma velocidade de acesso a memória próxima da velocidade de memórias mais rápidas, e ao mesmo tempo disponibilizar no sistema uma memória de grande capacidade, a um custo similar de memórias de semicondutores mais baratas.
Nos dispositivos de armazenamento
Com os avanços tecnológicos, vários tipos de cache foram desenvolvidos. Atualmente há cache em processadores, discos rígidos, sistemas, servidores, nas placas-mãe, clusters de bancos de dados, entre outros. Qualquer dispositivo que requeira do usuário uma solicitação/requisição a algum outro recurso, seja de rede ou local, interno ou externo a essa rede, pode requerer ou possuir de fábrica o recurso de cache.Por ser mais caro, o recurso mais rápido não pode ser usado para armazenar todas as informações. Sendo assim, usa-se a cache para armazenar apenas as informações mais frequentemente usadas. Nas unidades de disco também conhecidas como disco rígido ou Hard Drive (HD), também existem chips de cache nas placas eletrônicas que os acompanham. Como exemplo, a unidade Samsung de 160 GB tem 8 MBytes de cache.
No caso da informática, a cache é útil em vários contextos:
- nos casos dos processadores, em que a cache disponibiliza alguns dados já requisitados e outros a processar;
- no caso dos navegadores, em que as páginas são guardadas localmente para evitar consultas constantes à rede (especialmente úteis quando se navega por páginas estáticas);
- no caso das redes de computadores , o acesso externo , ou à Internet , se dá por meio de um software que compartilha a conexão ou link , software este também chamado de proxy , que tem por função rotear as requisições a IPs externos à rede que se encontra , nestes proxys temos ainda um cache , que na verdade é uma enorme lista de todos os sites que foram visitados pelos usuários dos computadores desta rede, fazendo com isto a mesma função que os caches presentes nos navegadores , ou browsers, só que com a atribuição de servir a toda a rede e com isso aumentar a taxa de acerto dos proxys , minimizar o consumo do link e agilizar a navegação;
- os servidores Web também podem dispor caches configurados pelo administrador, que variam de tamanho conforme o número de page views que o servidor tem.
Cache de disco
O cache de disco representa uma pequena quantidade de memória incluída na placa lógica do HD. Tem como principal função armazenar as últimas trilhas lidas pelo HD. Esse tipo de cache evita que a cabeça de leitura e gravação passe várias vezes pela mesma trilha, pois como os dados estão no cache, a placa lógica pode processar a verificação de integridade a partir dali, acelerando o desempenho do HD, já que o mesmo só requisita a leitura do próximo setor assim que o último setor lido seja verificado.
Operação
Um cache é um bloco de memória para o armazenamento temporário de dados que possuem uma grande probabilidade de serem utilizados novamente.Diagrama de uma memória de cache da CPU.
Uma definição mais simples de cache poderia ser: uma área de armazenamento temporária onde os dados frequentemente acedidos são armazenados para acesso rápido.
Uma cache é feita de uma fila de elementos. Cada elemento tem um dado que é a cópia exacta do dado presente em algum outro local (original). Cada elemento tem uma etiqueta que especifica a identidade do dado no local de armazenamento original, que foi copiado.
Quando o cliente da cache (CPU, navegador etc.) deseja aceder a um dado que acredita estar no local de armazenamento, primeiramente ele verifica a cache. Se uma entrada for encontrada com uma etiqueta correspondente ao dado desejado, o elemento da cache é então utilizado ao invés do dado original. Essa situação é conhecida como cache hit (acerto do cache). Como exemplo, um navegador poderia verificar a sua cache local no disco para ver se tem uma cópia local dos conteúdos de uma página Web numa URL particular. Nesse exemplo, a URL é a etiqueta e o conteúdo da página é o dado desejado. A percentagem de acessos que resultam em cache hits é conhecida como a taxa de acerto (hit rate ou hit ratio) da cache.
Uma situação alternativa, que ocorre quando a cache é consultada e não contém um dado com a etiqueta desejada, é conhecida como cache miss (erro do cache). O dado então é copiado do local original de armazenamento e inserido na cache, ficando pronto para o próximo acesso.
Se a cache possuir capacidade de armazenamento limitada (algo comum de acontecer devido ao seu custo), e não houver mais espaço para armazenar o novo dado, algum outro elemento deve ser retirado dela para que liberte espaço para o novo elemento. A forma (heurística) utilizada para seleccionar o elemento a ser retirado é conhecida como política de troca (replacement policy). Uma política de troca muito popular é a LRU (least recently used), que significa algo como “elemento recentemente menos usado”.
Quando um dado é escrito na cache, ele deve ser gravado no local de armazenamento em algum momento. O momento da escrita é controlado pela política de escrita (write policy). Existem diferentes políticas. A política de write-through (algo como “escrita através”) funciona da seguinte forma: a cada vez que um elemento é colocado no cache, ele também é gravado no local de armazenamento original. Alternativamente, pode ser utilizada a política de write-back (escrever de volta), onde as escritas não são directamente espelhadas no armazenamento. Ao invés, o mecanismo de cache identifica quais de seus elementos foram sobrepostos (marcados como sujos) e somente essas posições são colocadas de volta nos locais de armazenamento quando o elemento for retirado do cache. Por essa razão, quando ocorre um cache miss (erro de acesso ao cache pelo fato de um elemento não existir nele) em um cache com a política write-back, são necessários dois acessos à memória: um para recuperar o dado necessário e outro para gravar o dado que foi modificado no cache.
O mecanismo de write-back pode ser accionado por outras políticas também. O cliente pode primeiro realizar diversas mudanças nos dados do cache e depois solicitar ao cache para gravar os dados no dispositivo de uma única vez.
Os dados disponíveis nos locais de armazenamento original podem ser modificados por outras entidades diferentes, além do próprio cache. Nesse caso, a cópia existente no cache pode se tornar inválida. Da mesma forma, quando um cliente atualiza os dados no cache, as cópias do dado que estejam presentes em outros caches se tornarão inválidas. Protocolos de comunicação entre gerentes de cache são responsáveis por manter os dados consistentes e são conhecidos por protocolos de coerência.
Princípio da localidade de referência
É a tendência de o processador ao longo de uma execução referenciar instruções e dados da memória principal localizados em endereços próximos. Tal tendência é justificada devido as estruturas de repetição e as estruturas de dados, vetores e tabelas utilizarem a memória de forma subsequente (um dado após o outro). Assim a aplicabilidade da cache internamente ao processador fazendo o intermédio entre a memória principal e o processador de forma a adiantar as informações da memória principal para o processador.
Tipos de memória cache
Os tipos de memória cache mais conhecidos são: mapeamento direto, totalmente associativa e associativa por conjunto (N-way).
Ausência de conteúdo na cache - CACHE MISS
Quando o processador necessita de um dado, e este não está presente no cache, ele terá de realizar a busca diretamente na memória RAM, utilizando wait states e reduzindo o desempenho do computador. Como provavelmente será requisitado novamente (localidade temporal) o dado que foi buscado na RAM é copiado na cache.
Cache em níveis
Com a evolução na velocidade dos dispositivos, em particular nos processadores, o cache foi dividido em níveis, já que a demanda de velocidade a memória é tão grande que são necessários caches grandes com velocidades altíssimas de transferencia e baixas latências. Sendo muito difícil e caro construir memórias caches com essas características, elas são construídas em níveis que se diferem na relação tamanho X desempenho.
Cache L1
Uma pequena porção de memória estática presente dentro do processador. Em alguns tipos de processador, como o Pentium 2, o L1 é dividido em dois níveis: dados e instruções (que "dizem" o que fazer com os dados). A partir do Intel 486, começou a se colocar a L1 no próprio chip [processador]. Geralmente tem entre 16KB e 128KB; hoje já encontramos processadores com até 16MB de cache.
Cache L2
Possuindo o Cache L1 um tamanho reduzido e não apresentando uma solução ideal, foi desenvolvido o cache L2, que contém muito mais memória que o cache L1. Ela é mais um caminho para que a informação requisitada não tenha que ser procurada na lenta memória principal. Alguns processadores colocam essa cache fora do processador, por questões econômicas, pois uma cache grande implica num custo grande, mas há exceções, como no Pentium II, por exemplo, cujas caches L1 e L2 estão no mesmo cartucho que está o processador. A memória cache L2 é, sobretudo, um dos elementos essenciais para um bom rendimento do processador mesmo que tenha um clock baixo. Um exemplo prático é o caso do Intel Itanium 9152M (para servidores) que tem apenas 1.6 GHz de clock interno e ganha de longe do atual Intel Extreme, pelo fato de possuir uma memória cache de 24MB. Quanto mais alto é o clock do processador, mais este aquece e mais instável se torna. Os processadores Intel Celeron tem tão fraco desempenho por possuir menor memória cache L2. Um Pentium M 730 de 1.6 GHz de clock interno, 533 MHz FSB e 2 MB de cache L2, tem rendimento semelhante a um Intel Pentium 4 2.4 GHz, aquece muito menos e torna-se muito mais estável e bem mais rentável do que o Intel Celeron M 440 de 1.86 GHz de clock interno, 533 MHz FSB e 1 MB de cache L2.
Cache L3
Terceiro nível de cache de memória. Inicialmente utilizado pelo AMD K6-III (por apresentar o cache L2 integrado ao seu núcleo) utilizava o cache externo presente na placa-mãe como uma memória de cache adicional. Ainda é um tipo de cache raro devido a complexidade dos processadores atuais, com suas áreas chegando a milhões de transístores por micrómetros ou nanómetros de área. Ela será muito útil, é possível a necessidade futura de níveis ainda mais elevados de cache, como L4 e assim por diante.
Caches inclusivos e exclusivos
Caches Multi-level introduzem novos aspectos na sua implementação. Por exemplo, em alguns processadores, todos os dados no cache L1 devem também estar em algum lugar no cache L2. Estes caches são estritamente chamados de inclusivos. Outros processadores (como o AMD Athlon) têm caches exclusivos - os dados podem estar no cache L1 ou L2, nunca em ambos. Ainda outros processadores (como o Pentium II, III, e 4 de Intel), não requerem que os dados no cache L1 residam também no cache L2, embora possam frequentemente fazê-lo. Não há nenhum nome universal aceitado para esta política intermediária, embora o termo inclusivo seja usado.
A vantagem de caches exclusivos é que são capazes de armazenarem mais dados. Esta vantagem é maior quando o cache L1 exclusivo é de tamanho próximo ao cache L2, e diminui se o cache L2 for muitas vezes maior do que o cache L1. Quando o L1 falha e o L2 acerta acesso, a linha correta do cache L2 é trocada com uma linha no L1. Esta troca é um problema, uma vez que a quantidade de tempo para tal troca ser realizada é relativamente alta.
Uma das vantagens de caches estritamente inclusivos é que quando os dispositivos externos ou outros processadores em um sistema multiprocessado desejam remover uma linha do cache do processador, necessitam somente mandar o processador verificar o cache L2. Nas hierarquias de cache exclusiva, o cache L1 deve ser verificado também.
Uma outra vantagem de caches inclusivos é que um cache maior pode usar linhas maiores do cache, que reduzes o tamanho dos Tags do cache L2. (Os caches exclusivos requerem ambos os caches teres linhas do mesmo tamanho, de modo que as linhas do cache possam ser trocadas em uma falha no L1 e um acerto no L2).
Tamanho da cache
Quando é feita a implementação da memória cache, alguns aspectos são analisados em relação a seu tamanho:
- a relação acerto/falha;
- tempo de acesso a memória principal;
- o custo médio, por bit, da memória principal, da cache L1 e L2;
- o tempo de acesso da cache L1 ou L2;
- a natureza do programa a ser executado no momento
Técnicas de escrita de dados da cache
Tecnicas de "Write Hit":
Write-Back Cache
Usando esta técnica a CPU escreve dados diretamente na cache, cabendo ao sistema a escrita posterior da informação na memória principal. Como resultado, o CPU fica livre mais rapidamente para executar outras operações. Em contrapartida, a latência do controlador pode induzir problemas de consistência de dados na memória principal, em sistemas multiprocessados com memória compartilhada. Esses problemas são tratados por protocolos de consistência da cache.
Exemplo:
A escrita de um endereço é feita inicialmente numa linha da cache, e somente na cache. Quando mais tarde algum novo endereço precisar desta linha da cache, estando esta já ocupada, então o endereço inicial é guardado na memoria e o novo endereço ocupa-lhe o lugar na respectiva linha da cache.
Para reduzir a frequência de escrita de blocos de endereços na memória aquando da substituição é usado um "dirty bit", este é um bit de estado, ou seja, quando o endereço é instanciado inicialmente numa linha da cache, estando essa linha vazia, o valor inicial é implicitamente '0', quando o bloco do endereço é modificado(quando ocorre uma substituição) o valor inicial passa a '1' e diz-se que o bloco do endereço está "dirty".
- Vantagens
- a escrita ocorre à velocidade da cache;
- escritas múltiplas de um endereço requerem apenas uma escrita na memória;
- consome menos largura de banda.
- Desvantagens
- difícil de implementar;
- nem sempre existe consistência entre os dados existentes na cache e na memória;
- leituras de blocos de endereços na cache podem resultar em escritas de blocos de endereços "dirty" na memoria.
Write-Through Cache
Quando o sistema escreve para uma zona de memória, que está contida na cache, escreve a informação, tanto na linha específica da cache como na zona de memória ao mesmo tempo. Este tipo de caching providencia pior desempenho do que Write-Back Cache, mas é mais simples de implementar e tem a vantagem da consistência interna, porque a cache nunca está dessincronizada com a memória como acontece com a técnica Write-Back Cache.- Vantagens
- fácil de implementar;
- um "cache-miss" nunca resulta em escritas na memória;
- a memória tem sempre a informação mais recente.
- Desvantagens
- a escrita é lenta;
- cada escrita necessita de um acesso à memória;
- consequentemente usa mais largura de banda da memória.
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