Grundlagen der Rechnerarchitektur. Speicher

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1 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher

2 Übersicht Speicherhierarchie Cache Grundlagen Verbessern der Cache Performance Virtueller Speicher SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 2

3 Speicherhierarchie SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 3

4 Ein großer und schneller Speicher? Besonders schnelle Speicher sind besonders teuer Speichertechnologie Typische Zugriffszeiten $ per GB in 2008 SRAM 0,5 2,5 ns $2000 $5000 DRAM ns $20 $75 Magnetic Disk ns $0,2 $2 Schnellste Speicher müssen auch nahe am Prozessor sein. Beispiel: Signalausbreitungsgeschwindigkeit von etwa 0,3 * 10 9 m/s und Zugriffszeit von 500 ps ergibt eine Distanz von 15 cm. SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 4

5 Brauchen wir immer den gesamten Speicher? Das Lokalitätsprinzip Zeitliche Lokalität Räumliche Lokalität Beispiel: wir schreiben ein Referat in der Bibliothek Beispiel: typisches Verhalten von Programmen Schleifen fördern zeitliche Lokalität Sequentielle Abarbeitung fördert räumliche Lokalität Sequentielle Abarbeitung von Instruktionen Iterativer Zugriff auf Daten; z.b. Array oder Record Elemente SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 5

6 Idee: Speicherhierarchie Das Bild ist ein Beispiel; was ist z.b. mit Flash RAM? Die gesamten Daten stehen immer ganz unten Schichten darüber speichern immer eine Teilmenge der Daten der Schicht darunter Häufiger verwendete Daten stehen idealerweise in höherer Speicherschicht Aktuell verwendete Daten sind idealerweise ganz oben SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 6

7 Terminologie Cache Caches werden meist mit ihrer Größe benannt; 4KB Cache Block (oder auch Line genannt) Hit und Miss Hit Rate und Miss Rate Hit Time und Miss Penalty Offensichtlich: Hit Time << Miss Penalty (Begriffe sind unabhängig von dem konkreten Level) SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 7

8 Zusammengefasst Ziel: Zugriffszeit annähernd so schnell wie auf Level 1 bei Speichergröße so groß wie auf Level n. SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 8

9 Cache Grundlagen SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 9

10 Cache Grundlagen Lesender Cache Zugriff SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 10

11 Beispiel: Cache vor und nach einem Miss Was macht die CPU während eines Cache Miss? CPU Stall. Im folgenden beantworten wir die folgenden Fragen: Wie stellt man fest, ob X n im Cache ist? Wie findet man X n überhaupt in dem Cache? SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 11

12 Mögliche Lösung: Direct Mapped Cache Beispiel: Speicher mit 32 und Cache mit 8 Einträgen Mapping ist in der Regel (wie auch im obigen Beispiel) wie folgt: (Block Adresse) modulo (Anzahl Blocks im Cache) SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 12

13 Problem: Speicherbereiche überlappen Lösung: Tags (markiere Cache Eintrag mit oberem Teil der Adresse) Beispiel: Adresse ergibt Cache Index 001 und Tag 10. Tag Index ergibt wieder SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 13

14 Problem: ist der Cache Eintrag gültig? Lösung: Valid Bit (markiere jeden Cache Eintrag damit) Zu Beginn: alle Valid Bits sind 0 Nach erstem Zugriff auf den Cache Eintrag: Valid Bit ist 1 SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 14

15 Ein Beispiel Index Valid Tag Daten Adresse des Zugriffs Daten Hit oder Miss SS 2012 Grundlagen der Rechnerarchitektur Speicher 15