Sin embargo, la realidad es otra: Las memorias grandes son lentas Las memorias rápidas son pequeñas (y caras)

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Domingo San Martín Villanueva
hace 8 años
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1 Introducción Memoria Ideal Rápida, grande y barata Sin embargo, la realidad es otra: Las memorias grandes son lentas Las memorias rápidas son pequeñas (y caras) Las tecnologías principales de memoria son SRAM: Static Random Access Memory DRAM: Dynamic Random Access Memory Disco Magnético 1 Características de cada una: Tecnología Tiempo de acceso Coste por Mbyte SRAM 5-25 ns $ DRAM ns $ Disco Magnético millones ns 0,10-0,20 $ Organización jerárquica de la memoria Objetivo: Dar la impresión al usuario de que tiene una memoria grande, rápida y barata. 2

Magnético 1 Características de cada una: Tecnología Tiempo de acceso Coste por Mbyte SRAM 5-25 ns 100-250 $ DRAM 60-120 ns 5-100 $ Disco

2 Cómo? Organizando la memoria de forma jerárquica, llegando así a un compromiso entre capacidad, coste y velocidad. En qué consiste? En utilizar distintos niveles de memorias de forma que los niveles más cercanos al procesador utilizan tecnología más rápida (aunque son de menor tamaño y más caras) y los niveles más lejanos al procesador utilizan tecnología más lenta (y son de mayor tamaño y más baratas). Cómo funciona? El procesador va a buscar la información (instrucciones y datos) al nivel más cercano y si no la encuentra habrá que buscarla en niveles consecutivos hasta encontrarla y traerla al nivel más cercano. 3 Visión general del sistema de memoria 4

y los niveles más lejanos al procesador utilizan tecnología más lenta (y son de mayor tamaño y más baratas). Cómo funciona?

3 Por qué funciona la jerarquía de memorias? Los programas no acceden de forma aleatoria a su código y a sus datos, sino que tienden a tener un comportamiento predefinido que sigue un determinado patrón. Principio de localidad de referencia: Los programas acceden en cualquier instante de tiempo a una porción de memoria relativamente pequeña del espacio de direcciones total. 5 Principio de localidad Localidad Temporal: Si se referencia una posición de memoria en un instante determinado, existe una alta probabilidad de que vuelva a ser referenciada en los instantes siguientes. - Ejemplos: Instrucciones en bucles, variables Localidad Espacial: Si se referencia una posición de memoria en un instante determinado, existe una alta probabilidad de que en los instantes siguientes se referencien las posiciones de memoria cercanas a ella. - Ejemplos: Acceso a los elementos de un vector de datos, acceso a instrucciones secuenciales. 6

Principio de localidad de referencia: Los programas acceden en cualquier instante de tiempo a una porción de memoria relativamente pequeña del espacio de direcciones total.

4 Aplicando el principio de localidad presentamos al usuario tanta capacidad memoria como sea posible en la tecnología más barata con ordenes de velocidad de la tecnología más rápida. Niveles de la jerarquía y tecnologías asociadas Tipo de memoria Tecnología Tamaño Registros L1 Cache L2 Cache Memoria principal Semiconductor SRAM Semiconductor SRAM Semiconductor SRAM Semiconductor DRAM Disco magnético Disco duro 2 GB Disco óptico CD-ROM xx GB Cinta magnética Cinta xx GB Tiempo acceso 512 bytes 5 ns 32 KB 10 ns 512 KB 25 ns 32 MB 75 ns 10 ms 10 MB/seg 300 ms 600 KB/seg seg-min 10 MB/min 7 Terminología Nivel superior e inferior Entre dos niveles adyacentes de la jerarquía de memoria se denomina nivel superior al que está más cerca del procesador y nivel inferior al que está más lejos. El nivel superior es siempre más pequeño y rápido que el inferior. Bloque Es la unidad mínima de información que está presente o no en un nivel de la jerarquía. Las transferencias de información se realizan siempre entre niveles adyacentes de la jerarquía. La cantidad mínima de información que se transfiere es un bloque. 8

DRAM Disco magnético Disco duro 2 GB Disco óptico CD-ROM xx GB Cinta magnética Cinta xx GB Tiempo acceso 512 bytes 5 ns 32 KB 10 ns 512 KB 25 ns 32 MB 75 ns 10 ms 10 MB/seg 300 ms 600 KB/seg seg-min

5 Cuestiones sobre cualquier nivel de la jerarquía de memoria Q1: Dónde puede ubicarse un bloque en el nivel superior? Ubicación de bloque Q2: Cómo se encuentra un bloque si está en el nivel superior? Identificación del bloque A continuación analizaremos cada una de estas cuestiones para los niveles de caché (nivel superior) y memoria principal (nivel inferior). 9 Q1: Dónde puede ubicarse un bloque en una caché? La posible ubicación de un bloque crea tres categorías en la organización de las cachés: Cachés de correspondencia directa: cada bloque solo puede ir en una posición de la caché Cachés completamente asociativas: cada bloque puede ir en cualquier posición de la caché Cachés de correspondencia asociativa por conjuntos: se divide la caché en conjuntos y cada bloque podrá ir en cualquier posición de un conjunto determinado 10

9 Q1: Dónde puede ubicarse un bloque en una caché?

6 Nomenclatura n v : número de vía (bloque en la caché) n b : número de bloque (en memoria principal) N v : número total de vías N b : número total de bloques Correspondencia directa n v = n b MOD N b 11 Correspondencia totalmente asociativa Cada bloque puede ir en cualquier posición de la caché 12

total de bloques Correspondencia directa n v = n b MOD N b 11

7 Correspondencia asociativa por conjuntos n c = número de conjunto N c = número total de conjuntos n c = n b MOD N c Asociativa por conjuntos de n vías Asociatividad: A = número de vías por conjunto 13 Ejemplo de ubicación de bloque: en una caché de 8 bloques En qué bloque de la caché se ubicaría el bloque 12 de memoria principal? 14

Asociatividad: A = número de vías por conjunto 13 Ejemplo de ubicación de bloque:

8 Parámetros A: Asociatividad o número de vías por conjunto T b : Tamaño de bloque N c : Número de conjuntos N v : Número de vías (bloques en la caché) T C : Tamaño (de los datos) de la caché Relaciones T C = N c * A * T b N v = T C / T b N v = N c * A 15 Para un tamaño dado, las diversas organizaciones son realmente un continuo de la política de asociatividad por conjuntos: - Correspondencia directa = asociativa por conjuntos de 1 vía - Asociativas por conjuntos de n vías - Totalmente asociativa = asociativa por conjuntos de L vías Asociatividad (A) Nombre Nº conjuntos (S) Características Menor tiempo de acceso 1 Correspondencia directa N v Menor tasa de aciertos n Asociativa por conjuntos n vías N v / n Compromiso entre ambas N v Totalmente asociativa 1 Mejor tasa de aciertos 16

Correspondencia directa = asociativa por conjuntos de 1 vía - Asociativas por conjuntos de n vías - Totalmente asociativa = asociativa por conjuntos de L vías Asociatividad (A) Nombre Nº conjuntos

9 Q2: Cómo se encuentra un bloque en una caché? Puesto que en una vía de la caché pueden haber bloques distintos de memoria principal cómo se sabe qué bloque está ocupando en cada momento cada vía? Identificación del bloque cuando está en la caché 17 En la dirección que suministra el procesador distinguimos los siguientes campos: (Dirección del bloque de memoria = número de bloque) Desplazamiento: posición del dato dentro del bloque Índice: número de conjunto que le corresponde al bloque Tag: identificación del bloque en la caché ( Las cachés totalmente asociativas no tienen índice) 18

Identificación del bloque cuando está en la caché 17 En la dirección que suministra el procesador distinguimos los siguientes campos: (Dirección del

10 Identificación de bloque Etiqueta (tag): parte alta de la dirección que no se utiliza para indexar en la caché Además, bit de validez: indica si el bloque tiene datos válidos (V=1) o no (V=0) Ejemplo: caché con 4 bloques y 8 bytes/bloque Bloque Validez Etiqueta Datos (8 bytes) 0 V tag b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 1 V tag b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 2 V tag b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 3 V tag b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 19 Ejemplo: En una caché de correspondencia directa con 64 bloques y tamaño de bloque de 16 bytes, en qué bloque está el dato cuya dirección es 1200? 64 bloques, correspondencia directa 1 vía / cto 64 conjuntos = bits para el índice Tamaño del bloque = 16 bytes = bits para el desplazamiento = bits para tag n b = parte entera (dir / T b ) = parte entera (1200/16) = 75 n v = n b MOD N v = 75 MOD 64 = 11 Suponiendo direcciones de 32 bits: = B0 16 = n c =n v =11 20

b4 b3 b2 b1 b0 19 Ejemplo: En una caché de correspondencia directa con 64 bloques y tamaño de bloque de 16 bytes, en qué bloque está el dato cuya dirección es 1200?

11 Tamaño total de la caché = tamaño datos + tamaño etiquetas + tamaño bits validez Tt C = N v * (T b + T etiqueta + 1) Ejemplo: Calcular el tamaño total de una memoria caché de correspondencia directa con 64 KB de datos y bloques de 4 palabras suponiendo que la dirección es de 32 bits. nº bloques = nº conjuntos = 64 Kbytes / 16 bytes = 4 K = bits para el índice Tamaño del bloque = 16 bytes = bits para el desplazamiento Tamaño total = 4K * (16 bytes + 16 bits + 1 bit) = 4K * (128 bits + 16 bits + 1 bit) = 580 Kbits = 72.5 Kbytes 21 Ejercicio Dada una caché con 4K vías de tamaño 4 bytes y direcciones de 32 bits, encontrar su tamaño total suponiendo que fuese de correspondencia directa, asociativa por conjuntos de 2 vías, de 4 vías y totalmente asociativa. A = 1 : 4K ctos = 2 12 nº bits tag = (desp) = 18 bits T C = 4K * (4 * ) bits = 204 Kbits = 25.5 Kbytes A = 2 : 2K ctos = 2 11 nº bits tag = (desp) = 19 bits T C = 4K * (4 * ) bits = 208 Kbits = 26 Kbytes A = 4 : 1K ctos = 2 10 nº bits tag = (desp) = 20 bits T C = 4K * (4 * ) bits = 212 Kbits = 26.5 Kbytes A = 4k : 1 cto = 2 0 nº bits tag = (desp) = 30 bits T C = 4K * (4 * ) bits = 252 Kbits = 31.5 Kbytes 22

nº bloques = nº conjuntos = 64 Kbytes / 16 bytes = 4 K = 2 12 12 bits para el índice Tamaño del bloque = 16 bytes = 2 4 4 bits para el desplazamiento Tamaño total = 4K * (16 bytes + 16 bits + 1 bit)

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