Lezione n.12. Gerarchia di memoria
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- Timoteo Rubino
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1 Lezione n.2 Gerarchia di memoria Sommario: Conceo di gerarchia Principio di localià Definizione di hi raio e miss raio
2 La gerarchia di memoria Il sisema di memoria è molo criico per le presazioni del calcolaore. Il collo di boiglia è rappresenao dal canale di comunicazione CPU-Memoria che limia le presazioni del calcolaore. Non c è al momeno un'unica ecnologia che permee di realizzare un sisema di memoria che abbia cosi minimi, capacià massima e empi d accesso minimi. Per queso moivo si usano varie ecnologie per la cosruzione delle memorie, ciascuna delle quali offre una di quese caraerisiche. Si ha quindi il conceo di gerarchia di memoria che idenifica un insieme di memorie (sisema di memoria) con diverse ecnologie. La gerarchia di memoria è un modo con cui diverse ecnologie di memoria, diversi sisemi di memoria con ecnologie differeni, vengono messe insieme in modo da formare un unico sisema che offra presazioni migliori rispeo alle presazioni della singola memoria. Il conceo di gerarchia si basa sul modo paricolare di accedere ai dai che hanno i sisemi di calcolo. Queso è il principio di localià. Il conceo di gerarchia si basa foremene sul principio di localià. Le presazioni di un sisema di memoria possono essere quanificae araverso un insieme di parameri ra cui: Hi raio (vedremo in seguio cosa è) Tempo d accesso: dipende dalle caraerisiche della singola unià La memoria di un calcolaore deve essere inesa come un sisema che deve avere le segueni caraerisiche: Cosi ridoi Capacià di memorizzazione adeguaa (Gbye). Presazioni acceabili (bassi empi d accesso ai dai ). Nell archieura di Von Neumann il puno criico è il canale di comunicazione ra la CPU e la memoria. Menre la CPU è realizzaa in un unico chip (circuio inegrao VLSI) e con ecnologie avanzae, il sisema di memoria è invece realizzao su più chip. I programmaori, per memorizzare i loro programmi e i dai, necessierebbero di memorie molo veloci e capieni. La ecnologia permee solo di cosruire memorie poco cosose e grandi, ma lene, o memorie piccole e veloci, ma molo cosose. Si ha dunque un conflio ra esigenze dei programmaori e i vincoli ecnologici. Il rapporo ra il empo d accesso alla memoria ed il empo di ciclo della CPU era nel 980 pari a 2; aualmene il gap è aumenao e si arriva ad un rapporo pari a 5. Occorre quindi eviare che il migliorameno delle presazioni della CPU sia inuile. Bisogna ricorrere ad una soluzione approssimaa: gerarchia di memoria. Insieme di livelli di memoria di diversa velocià e dimensione Si dispongono memorie veloci vicino alla CPU per non rallenare la dinamica d accesso alla memoria ramie fech isrucion e load/sore. 2
3 man mano che ci allonaniamo dalla CPU piazziamo memorie sempre più lene e capieni a parià di capacià le memorie più veloci sono più cosose di quelle più lene, perciò sono in genere più piccole. soluzione compaibile con i cosi La gerarchia deve oimizzare i parameri segueni: coso capacià di memorizzazione presazioni (empo d accesso minimi) Obieivo di una gerarchia di memoria: dare al programmaore l illusione di poer usufruire di una memoria veloce è molo capiene. Tecnologie diverse consenono di oimizzare una per una quese caraerisiche, ma non esise un unica ecnologia che consena di oimizzare i re parameri conemporaneamene. Solo ramie una gerarchia di memoria si può oenere una soluzione approssimaa. La gerarchia di memoria sfrua il principio di localià degli accessi. Principio di localià degli accessi Se al empo si accede all indirizzo X è molo probabile che l indirizzo X+X sia richieso fra e + Nel breve periodo gli indirizzi generai da un programma sono confinai in regioni limiae Il principio di localià permee una razionalizzazione alle ecniche d accesso, ossia ai crieri con cui la CPU accede alle informazioni. Un sisema di memoria gerarchico può essere reso efficiene se la modalià d accesso ai dai ha caraerisiche prevedibili. In un deerminao inervallo di empo, alla memoria non si accede in modo uniforme, relaivamene allo spazio degli indirizzi, vale a dire che non si accede a ui gli indirizzi possibili della memoria, ma a zone molo limiae. Queso è generalmene vero, ma non sempre. Quando non è vero si hanno dei problemi. Il principio di localià si divide in: Localià spaziale: quando si fa riferimeno ad un elemeno di memoria, c è la endenza a far riferimeno enro breve empo ad alri elemeni che hanno indirizzo vicino a quello dell elemeno correne (ad esempio quando si esegue un programma le isruzioni sono memorizzae in celle adiaceni di memoria; oppure si pensi ai dai memorizzai in veori o marici). 3
4 Localià emporale: quando si fa riferimeno ad un elemeno di memoria, si ha la endenza a far riferimeno allo sesso elemeno enro breve empo (si pensi alle isruzioni e ai dai all inerno di un ciclo). Crierio di gesione della gerarchia di memoria Allocazione dinamica per uilizzare gli spazi disponibili con la massima efficienza. Nella memoria M si sposano di vola in vola i dai che si prevede vengano uilizzai nel breve periodo. Sposameno auomaico dei dai ra i vari livelli. Non sarà il programmaore a preoccuparsi di sposare i dai da un livello ad un alro, ma sarà il sisema che gesirà al meglio lo sposameno. I canali di comunicazione ra i vari livelli devono essere ragionevolmene veloci, alrimeni si ricade nel caso d inerfaccia CPU-Memoria non gerarchica. La poliica di gesione cerca di oenere da una gerarchia, una memoria che abbia: I empi d accesso della memoria più veloce (memoria M). Le dimensioni della memoria più grande (memoria M2) I cosi della memoria più economica (memoria M2) Il coso medio per bi del sisema divena: c S+ c2 S2 C S+ S2 c e c2 sono i cosi per bi delle singole memorie con c>c2 S e S2 sono le dimensioni delle due memorie della gerarchia (M e M2) con s<s2. Esempio RAM e HardDisk. I empi d accesso delle due memorie sono ali per cui a<a2 Se S2>3S allora c, anche se elevao, ende a pesare poco sul coso globale c. Una gerarchia di memoria è composa da più livelli, ma i dai vengono di vola in vola copiai solo ra due livelli adiaceni: il livello superiore, che indichiamo con M, è quello più vicino al processore; è più piccolo e veloce e quindi uilizza una ecnologia più cososa rispeo al livello inferiore, che indichiamo con M2. La minima quanià d informazione che può essere presene o assene nella gerarchia composa da due livelli è il blocco o cache line. Vediamo ora rispeo a quali parameri viene valuao il empo d accesso alla gerarchia. 4
5 Il primo paramero che ci consene di valuare le presazioni è : Hi raio (H) vale a dire il asso di successo. L hi raio rappresena la probabilià che la richiesa di un dao sia soddisfaa al livello di memoria M. Se il dao richieso dal processore compare in uno dei blocchi preseni nella memoria M, si dice che la richiesa ha successo (hi). Esempio: supponiamo che la CPU richieda una deerminaa informazione (dao). H ci da la probabilià che il dao richieso si rovi in un blocco della memoria M. Il sisema di memoria funzionerà ano meglio, ano maggiore è il valore di H. Maggiore è H, maggiore è la probabilià di rovare il dao in M e quindi empo d accesso inferiore. Alro paramero caraerisico delle presazioni è: Miss raio (-H) vale a dire il asso d insuccesso. Esso rappresena la probabilià che la richiesa del dao non sia soddisfaa dalla memoria M. Ecco perché il miss raio-h (si ricorda dalla eoria della probabilià che la somma delle probabilià di n eveni è pari a ). Il dao, se non è presene in M, deve essere richieso al livello di memoria M2. Vediamo ora come calcolare il empo d accesso, che vogliamo sia il più prossimo possibile al empo d accesso della memoria più veloce. Il empo medio d accesso globale è dao dalla somma pesaa dalle probabilià di successo e d insuccesso. Tempo medio d accesso Tam H + ( H ) A2 empo d accesso a M A2 empo d accesso a M2 A2 + B r Si ricorda che il empo di accesso è il empo che passa dal momeno in cui si accede al dao al momeno in cui il dao è reso disponibile alla CPU. In queso caso, per essere disponibile alla CPU il dao deve essere porao dalla memoria M2 alla memoria M. Ecco perché nel calcolo del empo di accesso a M2 bisogna sommare il empo di rasferimeno. B empo di rasferimeno di un blocco da M2 a M. Infai non viene rasferio un singolo dao, ma un blocco di dai che coniene il dao richieso 5
6 r A2 CALCOLATORI ELETTRONICI Si definisce inolre un efficienza d accesso: e A H + ( H) A2 H + ( H) A2 H + ( H) r Vediamo come si compora l efficienza e ai limii. Se H, vale a dire che il dao è in M, allora e + ( ) r Quesa è la siuazione migliore possibile. Vediamo gli alri casi possibili ramie un grafico che riassume l andameno di e in funzione di H e al variare di r. efficienza r O,8 O,6 O,4 O,2 r 2 r 0 r 00 O,2 O,4 O,6 O,8 H r00 è molo probabile nella realà. 6
7 A2 r 00 A2 00 CALCOLATORI ELETTRONICI Se r00 per oenere e dobbiamo operare con valori di H molo prossimi a vale a dire H 99%. I vanaggi della gerarchia si oengono quindi con H molo vicino a. Queso significa sposare le informazioni da M2 a M con mola cura. Esisono vari crieri per fare queso e lo vedremo nella prossima lezione. 7
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