Cache
Na área da computação, cache é um dispositivo de acesso rápido, interno a um sistema, que serve de intermediário entre um operador de um processo e o dispositivo de armazenamento ao qual esse operador acede. A principal vantagem na utilização de um cache consiste em evitar o acesso ao dispositivo de armazenamento - que pode ser demorado -, armazenando os dados em meios de acesso mais rápidos.
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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, não é financeiramente viável que o recurso mais rápido seja usado para armazenar todas as informações. Sendo assim, usa-se o cache para armazenar apenas as informações mais frequentemente usadas. Nas unidades de disco também conhecidas como discos rígidos (HD) também existem chips de cache nas placas eletrônicas que os acompanham. Como exemplo, a unidade Samsung de 160 GB possui 8 MB de cache. No caso da informática, o cache é útil em vários contextos:
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A 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.
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Uma cache é um bloco de memória para o armazenamento temporário de dados que possuem uma grande probabilidade de serem utilizados novamente. 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 exata 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 do cache (CPU, navegador etc.) deseja aceder a um dado que acredita estar no local de armazenamento, primeiramente ele verifica o cache. Se uma entrada for encontrada com uma etiqueta correspondente ao dado desejado, o elemento do 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 o seu 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) do cache.
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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 do 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.
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Os tipos de memória cache mais conhecidos são:
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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 no cache.
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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 transferência 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 II, o L1 é dividido em dois níveis: dados e instruções (que "dizem" o que fazer com os dados). O primeiro processador da Intel a ter o cache L1 foi o i486 com 8KB. Geralmente tem entre 16KB e 128KB; hoje já encontramos processadores com até 16MB à 32MB de cache.
Cache L2
Em função da capacidade reduzida do cache L1, foi desenvolvido o cache L2, com 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 esse cache fora do processador, por questões econômicas, pois um 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 supera em desempenho o 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 têm um fraco desempenho por possuir menos 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 micrômetros ou nanômetros de área. É possível a necessidade futura de níveis ainda mais elevados de cache, como L4 e assim por diante.
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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 bastante acoplado ao núcleo, as 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.
Tamanho do cache
Quando é feita a implementação da memória cache, alguns aspectos são analisados em relação a seu tamanho:
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Técnicas de "Write Hit"
Usando esta técnica a CPU escreve dados diretamente no 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 do cache. A escrita de um endereço é feita inicialmente numa linha do cache, e somente no cache. Quando mais tarde algum novo endereço precisar desta linha do cache, estando esta já ocupada, então o endereço inicial é guardado na memoria e o novo endereço ocupa-lhe o lugar na respectiva linha do cache.
Técnicas de "Write Miss"
O bloco de endereço é carregado na ocorrência seguindo-se uma ação de "write hit". O "Write Allocate" é usado com frequência em caches de "Write Back". O bloco de endereço é diretamente modificado na memória, não é carregado no cache. O "No Write Allocate" é usado frequentemente em caches de "Write Through".
