PDF -361 Computer Architecture Lecture 14: Cache Memory - Cache y Virtual
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Cache y Virtual

361 Computer Architecture Lecture 14: Cache Memory

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Virtual

Description

AIEP PROGRAMACIÓN COMPUTACIONAL FUNDAMENTOS DE PROGRAMACIÓN

INFORME MEMORIA CACHE Y MEMORIA VIRTUAL

Por:Diego Menéndez

Introducción

Ante la inmensa velocidad de los procesadores que a medida del tiempo se va incrementando,

el límite es mayor entre la transferencia de la memoria principal (RAM) y el CPU

ante esto se plantearon soluciones,

una incrementar la velocidad de la RAM y otra,

agregar un nuevo componente al PC: la memoria caché

Concepto de caché La memoria caché es una clase de memoria RAM estática (SRAM) de acceso aleatorio y alta velocidad,

se presenta de forma temporal y automática para el usuario,

que proporciona acceso rápido a los datos de uso más frecuente

La ubicación de la caché entre el microprocesador y la RAM,

hace que sea suficientemente rápida para almacenar y transmitir los datos que el microprocesador necesita recibir casi instantáneamente

La memoria caché es rápida,

unas 5 ó 6 veces más que la DRAM (RAM dinámica),

por eso su capacidad es mucho menor

Por eso su precio es elevado,

hasta 10 ó 20 veces más que la memoria principal dinámica para la misma cantidad de memoria

Uso de la Memoria Caché

La utilización de la memoria caché se describe a continuación:

los mismos datos repetidamente,

por ello la caché contiene las instrucciones más usadas

Por lo tanto,

a mayor instrucciones y datos la CPU pueda obtener directamente de la memoria caché,

tanto más rápido será el funcionamiento del ordenador

Funcionamiento de la memoria caché La memoria caché se carga desde la RAM con los datos y/o instrucciones que ha buscado la CPU en las últimas operaciones

La CPU siempre busca primero la información en la caché,

lo normal es que va encontrar ahí la mayoría de las veces,

con lo que el acceso será muy rápido

Pero si no encuentra la información en la caché,

se pierde un tiempo extra en acudir a la RAM y copiar dicha información en la caché para su disponibilidad

A parte de la caché con respecto a la memoria RAM,

en un PC existen muchos otros sistemas de caché,

como: Memoria RAM como caché: Las unidades de almacenamiento (discos duros,

) y otros muchos periféricos utilizan la memoria RAM como sistema de caché,

una zona de la RAM contiene la información que se ha buscado últimamente en dichos dispositivos,

de forma que basta con acceder a la RAM para recuperarla

Disco duro como caché: Se emplea al disco duro como caché a dispositivos aún más lentos (unidades CD-ROM)

Estos sistemas de caché suelen estar gobernados mediante software,

que se suele integrar en el sistema operativo

La caché de disco almacena direcciones concretas de sectores,

almacena una copia del directorio y en algunos casos almacena porciones o extensiones del programa o programas en ejecución

Los navegadores Web utilizan el disco duro como caché,

el navegador acude a Internet y comprueba la fecha de la misma

Si la página no ha sido modificada,

se toma directamente del disco duro,

con lo que la carga es muy rápida

En caso contrario se descarga desde Internet y se actualiza la caché,

con un cierto tiempo de espera

En el caso de los navegadores Web,

el uso del disco duro es más que suficiente,

ya que es extremadamente más rápido que el acceso a Internet

La Memoria virtual

La mayoría de los ordenadores tienen cuatro tipos de memoria: registros en la CPU,

la memoria caché (tanto dentro como fuera del CPU),

la memoria física (generalmente en forma de RAM,

donde la CPU puede escribir y leer directa y razonablemente rápido) y el disco duro que es mucho más lento,

pero también más grande y barato

Muchas aplicaciones requieren el acceso a más información (código y datos) que la que se puede mantener en memoria física

Esto es así sobre todo cuando el sistema operativo permite múltiples procesos y aplicaciones ejecutándose simultáneamente

Una solución al problema de necesitar mayor cantidad de memoria de la que se posee consiste en que las aplicaciones mantengan parte de su información en disco,

moviéndola a la memoria principal cuando sea necesario

Hay varias formas de hacer esto

Una opción es que la aplicación misma sea responsable de decidir qué información será guardada en cada sitio (segmentación),

La desventaja de esto,

además de la dificultad en el diseño e implementación del programa,

es que es muy probable que los intereses sobre la memoria de dos o varios programas generen conflictos entre sí: cada programador podría realizar su diseño teniendo en cuenta que es el único programa ejecutándose en el sistema

La alternativa es usar memoria virtual,

donde la combinación entre hardware especial y el sistema operativo hace uso de la memoria principal y la secundaria para hacer parecer que el ordenador tiene mucha más memoria principal (RAM) que la que realmente posee

Este método es invisible a los procesos

La cantidad de memoria máxima que se puede hacer ver que hay tiene que ver con las características del procesador

Cuando se usa Memoria Virtual,

o cuando una dirección es leída o escrita por la CPU,

una parte del hardware dentro de la computadora traduce las direcciones de memoria generadas por el software (direcciones virtuales) en: la dirección real de memoria (la dirección de memoria física),

o una indicación de que la dirección de memoria deseada no se encuentra en memoria principal (llamado excepción de memoria virtual) En el primer caso,

la referencia a la memoria es completada,

como si la memoria virtual no hubiera estado involucrada: el software accede donde debía y sigue ejecutando normalmente

En el segundo caso,

el sistema operativo es invocado para manejar la situación y permitir que el programa siga ejecutando o aborte según sea el caso

La memoria virtual es una técnica para proporcionar la simulación de un espacio de memoria mucho mayor que la memoria física de una máquina

Esta "ilusión" permite que los programas se ejecuten sin tener en cuenta el tamaño exacto de la memoria física

La ilusión de la memoria virtual está soportada por el mecanismo de traducción de memoria,

junto con una gran cantidad de almacenamiento rápido en disco duro

Así en cualquier momento el espacio de direcciones virtual hace un seguimiento de tal forma que una pequeña parte de él,

está en memoria real y el resto almacenado en el disco,

y puede ser referenciado fácilmente

Debido a que sólo la parte de memoria virtual que está almacenada en la memoria principal,

según un programa va ejecutándose,

la proximidad de referencias a memoria cambia,

necesitando que algunas partes de la memoria virtual se traigan a la memoria principal desde el disco,

mientras que otras ya ejecutadas,

se pueden volver a depositar en el disco (archivos de paginación)

La memoria virtual también simplifica la carga del programa para su ejecución llamada reubicación,

este procedimiento permite que el mismo programa se ejecute en cualquier posición de la memoria física

La memoria virtual ha llegado a ser un componente esencial de la mayoría de los sistemas operativos actuales

Y como en un instante dado,

en la memoria sólo se tienen unos pocos fragmentos de un proceso dado,

se pueden mantener más procesos en la memoria

Es más,

porque los fragmentos que no se usan no se cargan ni se descargan de la memoria

Sin embargo,

el sistema operativo debe saber cómo gestionar este esquema