Arquitectura de Computadores
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- Oswaldo Ferretti Leveck
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1 Arquitectura de Computadores Hierarquia de Memória; Memória Cache (13.2 e 13.3) José Monteiro Licenciatura em Engenharia Informática e de Computadores Departamento de Engenharia Informática (DEI) Instituto Superior Técnico 11 de Maio, 2009 José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
2 Sumário da Aula hierarquia de memória objectivos princípio da localidade memória cache funcionamento básico tipos de memória cache bloco da cache poĺıtica de substituição José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
3 Memória Ideal Características desejáveis para a memória: José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
4 Memória Ideal Características desejáveis para a memória: barata grande capacidade rápida (tempo de acesso reduzido) largura de banda elevada José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
5 Evolução do Desempenho: CPU vs Memória Memória: tempo de acesso diminui 7% / ano Processador: 35% / ano de aumento de desempenho até 1986, 55% depois disso José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
6 Hierarquia de Memória UCP Registos Cache Memória Primária Memória Secundária José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
7 Hierarquia de Memória Memória UCP Registos Cache Memória Primária Memória Secundária José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
8 Características dos Níveis de Memória Nível Nome registos cache memória disco Capacidade < 1kB < 16MB < 16GB > 100GB Tecnologia CMOS CMOS SRAM CMOS DRAM disco magnético Acesso (ns) 0,25-0,5 0, José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
9 Comportamento dos Programas A caracterização do comportamento dos programas resulta da análise dos seus rastos de execução (traces). Tipo de Acesso Endereço. fetch 2 408ed4 leitura d ed8 escrita d edc ee ee4. Regra 90/10 Um programa gasta tipicamente 90% do seu tempo a executar 10% das instruções. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
10 Princípio da Localidade Regra 90/10 Princípio da Localidade José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
11 Princípio da Localidade Regra 90/10 Princípio da Localidade Localidade Temporal Se um endereço é referenciado, tenderá a sê-lo de novo em breve. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
12 Princípio da Localidade Regra 90/10 Princípio da Localidade Localidade Temporal Se um endereço é referenciado, tenderá a sê-lo de novo em breve. Localidade Espacial Se um endereço é referenciado, os endereços contíguos tenderão a ser referenciados em breve. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
13 Indicadores Estatísticos das Caches Sucesso (hit): endereço a que se pretende aceder está presente na cache, sendo o acesso servido por esta. t h : tempo de acesso com sucesso p h : fracção de acessos com sucesso (taxa de sucesso, hit rate) Falta (miss): endereço a que se pretende aceder não se encontra na cache, sendo necessário um acesso à memória primária. t m : tempo de acesso com falta p m : fracção de acessos com falta, p m = 1 p h (taxa de faltas, miss rate) t p : penalidade de falta, t p = t m t h José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
14 Indicadores Estatísticos das Caches Sucesso (hit): endereço a que se pretende aceder está presente na cache, sendo o acesso servido por esta. t h : tempo de acesso com sucesso p h : fracção de acessos com sucesso (taxa de sucesso, hit rate) Falta (miss): endereço a que se pretende aceder não se encontra na cache, sendo necessário um acesso à memória primária. t m : tempo de acesso com falta p m : fracção de acessos com falta, p m = 1 p h (taxa de faltas, miss rate) Tempo médio de acesso: t p : penalidade de falta, t p = t m t h t acesso = p h t h + p m t m = t h + p m t p José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
15 Organização da Cache Etiquetas Dados José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
16 Organização da Cache Etiquetas Dados Cache Completamente Associativa Todas as linhas da cache são testadas em paralelo, pela comparação do endereço pretendido com o campo etiqueta de cada linha. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
17 Cache Completamente Associativa Endereço Etiquetas Dados Etiquetas Dados Etiquetas... Dados = Dados = Dados = Dados Sucesso Dados José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
18 Cache de Mapeamento Directo Cache de Mapeamento Directo Apenas uma das linhas da cache é pesquisada. O endereço é interpretado em termos de 2 campos, Índice e Etiqueta, em que o primeiro define a linha de cache com a qual o campo Etiqueta vai ser comparado. Endereço Etiqueta Índice Etiquetas Dados = Sucesso Dados José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
19 Cache Associativa com n Vias Cache de Associativa com n Vias São pesquisadas n vias (sets) em paralelo. O endereço é interpretado também interpretado em termos de 2 campos, Índice e Etiqueta, em que o primeiro define n linhas de cache a comparar com o campo Índice. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
20 Cache Associativa com n Vias Etiqueta Índice Etiquetas Dados Etiquetas Dados Descodificador = = Codificador Multiplexador José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18 Hit Dados
21 Como Tirar Partido do Princípio da Localidade? Localidade Temporal: José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
22 Como Tirar Partido do Princípio da Localidade? Localidade Temporal: Manter na cache os últimos endereços acedidos. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
23 Como Tirar Partido do Princípio da Localidade? Localidade Temporal: Manter na cache os últimos endereços acedidos. Localidade Espacial: José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
24 Como Tirar Partido do Princípio da Localidade? Localidade Temporal: Manter na cache os últimos endereços acedidos. Localidade Espacial: Carregar para a cache um conjunto de posições contíguas ao endereço acedido. Cada linha da cache corresponde não a uma posição de memória, mas a um conjunto. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
25 Organização da Linha da Cache em Blocos Etiqueta Índice Deslocamento Etiquetas Dados Descodificador = Multiplexador Sucesso Dados José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
26 Posição de um Bloco na Cache Onde colocar um bloco na cache? Cache Completamente Associativa José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
27 Posição de um Bloco na Cache Onde colocar um bloco na cache? Cache Completamente Associativa o bloco pode ficar em qualquer posição da cache. Cache de Mapeamento Directo José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
28 Posição de um Bloco na Cache Onde colocar um bloco na cache? Cache Completamente Associativa o bloco pode ficar em qualquer posição da cache. Cache de Mapeamento Directo cada bloco apenas pode ficar numa posição da cache, determinada pelos bits do campo índice. Endereço Etiqueta Índice Bloco Associativa de n vias José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
29 Posição de um Bloco na Cache Onde colocar um bloco na cache? Cache Completamente Associativa o bloco pode ficar em qualquer posição da cache. Cache de Mapeamento Directo cada bloco apenas pode ficar numa posição da cache, determinada pelos bits do campo índice. Endereço Etiqueta Índice Bloco Associativa de n vias o bloco tem n posições possíveis de colocação, uma por cada via, sendo a posição numa dada via determinada pelos bits do campo índice. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
30 Poĺıtica de Substituição Qual o bloco a retirar da cache, se for caso disso? José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
31 Poĺıtica de Substituição Qual o bloco a retirar da cache, se for caso disso? LRU (Least Recently Used): retirar o que não é usado há mais tempo. FIFO (First-in First-out): retirar o que foi carregado para a cache há mais tempo. Aleatório José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
32 Poĺıtica de Substituição Qual o bloco a retirar da cache, se for caso disso? LRU (Least Recently Used): retirar o que não é usado há mais tempo. FIFO (First-in First-out): retirar o que foi carregado para a cache há mais tempo. Aleatório 2 Vias 4 Vias 8 Vias Capacidade LRU RND FIFO LRU RND FIFO LRU RND FIFO 16 kb 11,4 11,7 11,6 11,2 11,5 11,3 10,9 11,2 11,0 64 kb 10,3 10,4 10,4 10,2 10,2 10,3 10,0 10,1 10,0 256 kb 9,2 9,2 9,3 9,2 9,2 9,3 9,2 9,2 9,3 José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 18
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