Caché
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En informática, un caché es un conjunto de datos duplicados de otros originales, con la propiedad de que los datos originales son costosos de acceder, normalmente en tiempo, respecto a la copia en el caché. Cuando se accede por primera vez a un dato, se hace una copia en el caché; los accesos siguientes se realizan a dicha copia, haciendo que el tiempo de acceso medio al dato sea menor.
El término caché puede utilizarse también para una zona de memoria de disco denominado caché de disco (Disk cache o Cache buffer en inglés).
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[editar] Características generales
La memoria caché se define como una pequeña porción de memoria muy rápida, cuyo objetivo es reducir los estados de espera, y estar a la velocidad del procesador. Es de acceso aleatorio (también conocida como acceso directo) y funciona de una manera similar a como lo hace la memoria principal (RAM). Además funciona con 2 fenómenos en un código típico LTR (localidad temporal de referencia) y LER (localidad espacial de referencia).
LTR: Accede a una localidad de memoria varias veces en un período corto.
LER: Accede a localidades adyacentes y lo lleva a memoria caché.
En esta memoria las direcciones son dinámicas, es decir, si se ocupa un bloque de memoria, esto es transportado por la caché para evitar fallas en la asignación de direcciones.
Con el aumento de la rapidez de los microprocesadores ocurrió la paradoja de que las memorias principales no eran suficientemente rápidas como para poder ofrecerles los datos que éstos necesitaban. Por esta razón, los ordenadores comenzaron a construirse con una memoria caché interna situada entre el microprocesador y la memoria principal.
Existen tres tipos de memoria caché cuyo funcionamiento es análogo:
- L1 o interna (situada dentro del propio procesador y por tanto de acceso aún más rápido y aún más cara). La caché de primer nivel contiene muy pocos kilobytes (unos 32, 64, 128 o 256 Kb).
- L2 o externa (situada entre el procesador y la RoM). Los tamaños típicos de la memoria caché L2 oscilan en la actualidad entre 256 kb y 4 Mb: la memoria caché es un tipo especial de memoria que poseen los ordenadores.
- L3. Esta memoria se encuentra en algunas placas base. A medida que los microprocesadores comenzaron a incluir cachés L2 dentro de sus arquitecturas, se comenzó a llamar caché L3 al caché extra integrado en las motherboards entre el microprocesador y la memoria principal. Simplemente, lo que una vez fue el caché L2, ahora se denomina L3 cuando se usa en micros con cachés L2 integrados.
[editar] Composición interna
Las memorias caché están compuestas por dos elementos distintos, un directorio que almacena etiquetas que identifican la dirección de memoria almacenada, y bloques de información, todos de igual tamaño, que guardan la información propiamente dicha.
[editar] Diseño
En el diseño de la memoria caché 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 caché y de sus bloques.
[editar] Política de ubicación
Decide dónde debe colocarse un bloque de memoria principal que entra en la memoria caché. Las más utilizadas son:
- Directa: Al bloque n-ésimo de memoria principal le corresponde la posición n módulo k donde k es el número de bloques de la memoria caché.
- Asociativa: Cualquier bloque de memoria principal puede ir en cualquier lado del bloque de memoria caché.
- Asociativa por conjuntos: La memoria caché se divide en varios conjuntos de bloques, así al bloque i-ésimo de memoria principal le corresponde el conjunto i módulo (k/n) donde k es el número de bloques de memoria caché. Dicho bloque de memoria podrá ubicarse en cualquier posición dentro del conjunto asociado de la memoria caché.
[editar] Política de extracción
La política de extracción determina cuándo y cuál bloque de memoria principal hay que traer a memoria caché. Existen dos políticas muy extendidas:
- Por demanda: Un bloque sólo se trae a memoria caché 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.
[editar] Política de reemplazo
Determina qué bloque de memoria caché debe abandonarla cuando no existe espacio disponible para un bloque entrante. Hay dos políticas muy importantes que son:
- Aleatoria: El bloque es reemplazado de forma aleatoria.
- FIFO: Se usa un algoritmo FIFO (First In First Out, "el primero que entra es el primero que sale") para determinar qué bloque debe abandonar la caché. Este algoritmo generalmente es poco eficiente.
- Menos recientemente usado (LRU): Se sustituye el bloque que hace más tiempo que no se ha utilizado.
[editar] Política de escritura
Determina cuándo se actualiza la información en memoria principal cuando se ha escrito en memoria caché. Existen dos políticas principales:
- Escritura inmediata: También llamada en inglés Write Through. Cuando se escribe un bloque en memoria caché se actualiza directamente la información también en memoria principal, manteniendo la coherencia en todo momento.
- Escritura aplazada': En inglés Write Back, cuando se escribe un bloque en memoria caché, se marca como sucio usando un bit especial llamado normalmente dirty bit. Cuando el bloque sea desalojado de memoria caché (mediante la correspondiente política de reemplazo), se comprueba el bit de sucio, y si está activado se escribe la información de dicho bloque en memoria principal.
También es llamada como política de post-escritura.
