MEMORIA CACHE

Una memoria caché es una memoria en la que se almacenas una serie de datos para su rápido acceso. Existen muchas memorias caché (de disco, de sistema, incluso de datos, como es el caso de la caché de Google). Todos los procesadores desde el 80386, llevan una cache interna dentro del chip.

Básicamente, la memoria caché de un procesador es un tipo de memoria volátil (del tipo RAM), pero de una gran velocidad.

En la actualidad esta memoria está integrada en el procesador, y su cometido es almacenar una serie de instrucciones y datos a los que el procesador accede continuamente, con la finalidad de que estos accesos sean instantáneos. Estas instrucciones y datos son aquellas a las que el procesador necesita estar accediendo de forma continua, por lo que para el rendimiento del procesador es imprescindible que este acceso sea lo más rápido y fluido posible.

La palabra procede de la voz inglesa cache (/kæʃ/; «escondite secreto para guardar mercancías, habitualmente de contrabando») y esta a su vez de la francesa cache, (/kaʃ/; «escondrijo o escondite»). A menudo, en español se escribe con tilde sobre la «e» del mismo modo como el que se venía escribiendo con anterioridad al neologismo la palabra «caché» («distinción o elegancia» o «cotización de un artista»), proveniente de un étimo también francés, pero totalmente distinto: cachet, (/ka'ʃɛ/; «sello» o «salario»). La Real Academia Española sólo reconoce la palabra con tilde,1aunque en la literatura especializada en Arquitectura de Computadores (como, entre otros, las traducciones de los libros de Andrew S. Tanenbaum, John L. Hennessy y David A. Patterson) se emplea siempre la palabra sin tilde.

Hay tres tipos diferentes de memoria caché para procesadores:







Caché de 1er nivel (L1):

 Esta caché está integrada en el núcleo del procesador, trabajando a la misma velocidad que este. La cantidad de memoria caché L1 varía de un procesador a otro, estando normalmente entra los 64KB y los 256KB. Esta memoria suele a su vez estar dividida en dos partes dedicadas, una para instrucciones y otra para datos.

Caché de 2º nivel (L2):

Son circuitos elctronicos (CHIPS) super rapidos  (SRAM) bastantes costosos, instalados
en la tarjeta madre,que aumentan la eficiencia del procesador principal y no todos los computadores la tienen pues son necesitadas por aquellos donde la demanda de calculo y procesamiento sean muy grandes. Integrada también en el procesador, aunque no directamente en el núcleo de este, tiene las mismas ventajas que la caché L1, aunque es algo más lenta que esta. La caché L2 suele ser mayor que la caché L1, pudiendo llegar a superar los 2MB.


A diferencia de la caché L1, esta no está dividida, y su utilización está más encaminada a programas que al sistema.






Caché de 3er nivel (L3):

Es un tipo de memoria caché más lenta que la L2, muy poco utilizada en la actualidad.






En un principio esta caché estaba incorporada a la placa base, no al procesador, y su velocidad de acceso era bastante más lenta que una caché de nivel 2 o 1, ya que si bien sigue siendo una memoria de una gran rapidez (muy superior a la RAM, y mucho más en la época en la que se utilizaba), depende de la comunicación entre el procesador y la placa base.






Para hacernos una idea más precisa de esto, imaginemos en un extremo el procesador y en el otro la memoria RAM. Pues bien, entre ambos se encuentra la memoria caché, más rápida cuanto más cerca se encuentre del núcleo del procesador (L1).






Las memorias caché son extremadamente rápidas (su velocidad es unas 5 veces superior a la de una RAM de las más rápidas), con la ventaja añadida de no tener latencia, por lo que su acceso no tiene ninguna demora... pero es un tipo de memoria muy cara.


Esto, unido a su integración en el procesador (ya sea directamente en el núcleo o no) limita bastante el tamaño, por un lado por lo que encarece al procesador y por otro por el espacio disponible.






En cuanto a la utilización de la caché L2 en procesadores multinucleares, existen dos tipos diferentes de tecnologías a aplicar.






Por un lado está la habitualmente utilizada por Intel, que consiste en que el total de la caché L2 está accesible para ambos núcleos y por otro está la utilizada por AMD, en la que cada núcleo tiene su propia caché L2 dedicada solo para ese núcleo.






La caché L2 apareció por primera vez en los Intel Pentium Pro, siendo incorporada a continuación por los Intel Pentium II, aunque en ese caso no en el encapsulado del procesador, sino externamente (aunque dentro del procesador).


Diseño

En el diseño de la memoria cache se deben considerar varios factores que influyen directamente en el rendimiento de la memoria y por lo tanto en su objetivo de aumentar la velocidad de respuesta de la jerarquía de memoria. Estos factores son las políticas de ubicación, extracción, reemplazo, escritura y el tamaño de la cache y de sus bloques.


Política de ubicación


Decide dónde debe colocarse un bloque de memoria principal que entra en la memoria cache. Las más utilizadas son:


 Directa: Al bloque i-ésimo de memoria principal le corresponde la posición i módulo n, donde n es el número de bloques de la memoria cache.


 Asociativa: Cualquier bloque de memoria principal puede ir en cualquiera de los n bloques de la memoria cache.


 Asociativa por conjuntos: La memoria cache se divide en k conjuntos de bloques, así al bloque i-ésimo de memoria principal le corresponde el conjunto i módulo k. Dicho bloque de memoria podrá ubicarse en cualquier posición de ese conjunto.


Política de extracción


La política de extracción determina cuándo y qué bloque de memoria principal hay que traer a memoria cache. Existen dos políticas muy extendidas:


 Por demanda: Un bloque sólo se trae a memoria cache cuando ha sido referenciado y se produzca un fallo.


 Con prebúsqueda: Cuando se referencia el bloque i-ésimo de memoria principal, se trae además el bloque (i+1)-esimo. Esta política se basa en la propiedad de localidad espacial de los programas.


Política de reemplazo


(Ver también Algoritmos de reemplazo de páginas ) Determina qué bloque de memoria caché debe abandonarla cuando no existe espacio disponible para un bloque entrante. Básicamente hay cuatro políticas que son:


 Aleatoria: El bloque es reemplazado de forma aleatoria.


 FIFO: Se usa un algoritmo First In First Out FIFO (primero en entrar es el primero en salir) para determinar qué bloque debe abandonar la cache. Este algoritmo generalmente es poco eficiente.


 Menos recientemente usado (LRU): Se sustituye el bloque que hace más tiempo que no se ha usado en la cache, traeremos a cache el bloque en cuestión y lo modificaremos ahí.


 Menos frecuencias usadas (LFU): Se sustituye el bloque que ha experimentado menos referencias.