Cache
Na computação, o cache é um componente essencial que funciona como um intermediário de acesso rápido entre um processo e o dispositivo de armazenamento. Sua principal função é armazenar dados frequentemente utilizados em memórias mais velozes, evitando assim acessos demorados ao armazenamento principal e otimizando o desempenho geral do sistema.
Pontos-chave
- Cache é uma memória temporária de alta velocidade para dados de uso frequente.
- Ele atua como intermediário entre o processador e o armazenamento principal.
- O cache melhora o desempenho ao reduzir o tempo de acesso aos dados.
- Existem diferentes níveis de cache (L1, L2, L3) com características distintas.
- O princípio da localidade de referência explica a eficácia do cache.
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Com o avanço tecnológico, o cache se tornou presente em diversos componentes, como processadores, discos rígidos, placas-mãe e servidores. Ele é implementado em qualquer dispositivo que precise acessar outros recursos, sejam eles locais ou remotos. Por ser um recurso mais caro, o cache armazena apenas as informações mais acessadas. Por exemplo, um disco rígido Samsung de 160 GB pode ter 8 MB de cache.
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O cache de disco é uma pequena memória na placa lógica do HD que armazena as últimas trilhas lidas. Isso evita que a cabeça de leitura e gravação precise reler os mesmos dados, pois a placa lógica pode processar a verificação de integridade diretamente do cache, acelerando o desempenho do HD.
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O cache é uma área de armazenamento temporário para dados que provavelmente serão usados novamente. Ele contém cópias exatas de dados de outro local (original), cada uma com uma etiqueta identificando sua origem. Quando um dado é solicitado, o cache é verificado primeiro. Se o dado for encontrado (cache hit), ele é usado em vez do original, economizando tempo. A porcentagem de acertos é chamada de taxa de acerto (hit rate).
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Este princípio explica por que o cache é eficaz: processadores tendem a acessar dados e instruções em endereços de memória próximos. Isso ocorre devido a estruturas de repetição e uso sequencial de dados em vetores e tabelas. O cache aproveita essa tendência, antecipando informações da memória principal para o processador.
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O hardware do cache decodifica o endereço de memória em campos específicos para localizar os dados.
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Quando o dado solicitado não está no cache (cache miss), o processador precisa buscá-lo na memória RAM, o que causa lentidão (wait states). O dado buscado na RAM é então copiado para o cache, pois provavelmente será requisitado novamente (localidade temporal).
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Para atender à alta demanda de velocidade dos processadores modernos, o cache foi dividido em níveis. Esses níveis variam em tamanho e desempenho, buscando um equilíbrio entre custo e velocidade de transferência.
Cache L1
É uma pequena porção de memória estática localizada dentro do processador. Pode ser dividida em cache de dados e de instruções. O primeiro processador Intel com L1 foi o i486 (8KB). Geralmente varia de 16KB a 128KB, mas processadores atuais podem ter de 16MB a 32MB.
Cache L2
Desenvolvido para complementar o L1, o cache L2 possui maior capacidade. Ele evita acessos à memória principal mais lenta. Alguns processadores o incluem fora do chip principal por questões econômicas, mas outros, como o Pentium II, o integram. Um L2 maior melhora o desempenho, mesmo com clock baixo. Por exemplo, um Intel Itanium 9152M (1.6 GHz) com 24MB de cache L2 supera um Intel Extreme. Processadores Intel Celeron têm desempenho inferior devido a menos cache L2. Um Pentium M 730 (1.6 GHz, 2MB L2) tem desempenho similar a um Intel Pentium 4 2.4 GHz, sendo mais estável e econômico que um Intel Celeron M 440 (1.86 GHz, 1MB L2).
Cache L3
Terceiro nível de cache, inicialmente usado pelo AMD K6-III como memória adicional. É raro em processadores atuais devido à complexidade e tamanho dos chips. Pode haver necessidade futura de níveis superiores (L4, etc.).
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Em sistemas multi-nível, caches podem ser inclusivos (dados do L1 também estão no L2) ou exclusivos (dados estão no L1 ou L2, nunca em ambos). Outros sistemas não exigem que dados do L1 estejam no L2. Caches exclusivos podem armazenar mais dados, mas a troca entre níveis pode ser lenta.
Tamanho do Cache
Ao implementar a memória cache, diversos aspectos relacionados ao seu tamanho são cuidadosamente analisados.
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Existem diferentes estratégias para a escrita de dados no cache, cada uma com suas vantagens e desvantagens.
Write Hit
A CPU escreve dados diretamente no cache, e o sistema se encarrega de gravá-los posteriormente na memória principal. Isso libera a CPU mais rapidamente. Contudo, a latência do controlador pode causar inconsistências em sistemas multiprocessados. A escrita ocorre no cache; quando a linha é necessária para outro dado, o dado antigo é salvo na memória principal e o novo ocupa seu lugar.
Write Miss
O bloco de endereço é carregado no cache e, em seguida, ocorre uma ação de 'write hit'. O 'Write Allocate' é comum em caches 'Write Back'. Alternativamente, o 'No Write Allocate' modifica diretamente a memória principal sem carregar o bloco no cache, sendo usado frequentemente em caches 'Write Through'.
