Memoria cache. Memoria cache. Miss e Hit. Problemi. Fondamenti di Informatica

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1 FONDAMENTI DI INFORMATICA Prof PIER LUCA MONTESSORO Facoltà di Ingegneria Università degli Studi di Udine Memoria cache, interrupt e DMA 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 1 Nota di Copyright Questo insieme di trasparenze (detto nel seguito slide) è protetto dalle leggi sul copyright e dalle disposizioni dei trattati internazionali Il titolo ed i copyright relativi alle slides (ivi inclusi, ma non limitatamente, ogni immagine, fotografia, animazione, video, audio, musica e testo) sono di proprietà dell autore prof Pier Luca Montessoro, Università degli Studi di Udine Le slide possono essere riprodotte ed utilizzate liberamente dagli istituti di ricerca, scolastici ed universitari afferenti al Ministero della Pubblica Istruzione e al Ministero dell Università e Ricerca Scientifica e Tecnologica, per scopi istituzionali, non a fine di lucro In tal caso non è richiesta alcuna autorizzazione Ogni altro utilizzo o riproduzione (ivi incluse, ma non limitatamente, le riproduzioni su supporti magnetici, su reti di calcolatori e stampe) in toto o in parte è vietata, se non esplicitamente autorizzata per iscritto, a priori, da parte degli autori L informazione contenuta in queste slide è ritenuta essere accurata alla data della pubblicazione Essa è fornita per scopi meramente didattici e non per essere utilizzata in progetti di impianti, prodotti, reti, ecc In ogni caso essa è soggetta a cambiamenti senza preavviso L autore non assume alcuna responsabilità per il contenuto di queste slide (ivi incluse, ma non limitatamente, la correttezza, completezza, applicabilità, aggiornamento dell informazione) In ogni caso non può essere dichiarata conformità all informazione contenuta in queste slide In ogni caso questa nota di copyright e il suo richiamo in calce ad ogni slide non devono mai essere rimossi e devono essere riportati anche in utilizzi parziali 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 2 Memoria cache L idea risale agli anni 60 Dagli anni 90 le memorie cache risiedono sul chip del microprocessore Memoria cache CACHE Memoria centrale volte più piccola della RAM 5-20 volte più veloce 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 4 Miss e Hit La genera l indirizzo I e il comando di lettura Se il dato non è nella cache: MISS leggere il dato dalla memoria centrale copiarlo in cache tenendo traccia dell indirizzo I, per i riferimenti futuri Se il dato è nella cache: HIT Problemi Directory dei dati contenuti in base agli indirizzi di memoria Dimensione della cache e gestione in base al principio di località spaziale dei programmi Criterio di mappatura tra la posizione in memoria centrale delle parole in memoria centrale e in cache (cache completamente associativa, a mappatura diretta, associativa a più vie) 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 1

2 Capacità della cache: L = 2 l linee Linee di W = 2 w parole (C = LxW parole nella cache) Memoria centrale di B = 2 b blocchi (ogni blocco delle stesse dimensioni della cache) b l w Indirizzo: 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 7 memoria blocco 0 cache blocco 1 blocco Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 8 Linea per linea, contiene il numero del blocco da cui provengono TAG RAM compar hit/miss DATA RAM alla Linea per linea, contiene copia delle parole di memoria 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 9 Cache completamente associativa Ogni linea di memoria può essere copiata in qualsiasi posizione della cache CAM: Content Addressable Memory Ogni linea di memoria ha un proprio univoco indirizzo la TAG RAM ha L posizioni di b+l bit Nota: a seguito di un cache miss, bisogna individuare la linea da riscrivere nella cache 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 10 Cache parzialmente associativa Detta anche associativa a più vie Prevede un funzionamento analogo alla mappatura diretta, ma con più banchi di cache in cui può trovarsi il dato Cache parzialmente associativa TAG RAM DATA RAM compar compar 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 11 alla 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 2

3 Memoria Control Unit PC IR SP flags Arithmetic and Logic Unit R0 R1 R15 Dispositivi di I/O Address Data Control Fondamenti di Informatica Il problema della scrittura Fortunatamente le scritture sono meno frequenti delle letture (si pensi all instruction fetch, alle scritture nei registri, ecc) Due approcci scrittura immediata si aggiorna la memoria centrale immediatamente (o quasi) riduzione delle prestazioni scrittura differita si tiene traccia delle modifiche effettuate sul contenuto della cache mediante un dirty bit per ogni linea 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 13 Il problema del rimpiazzamento Analogie con la paginazione (v sistemi operativi) Principali strategie: LRU (Least Recently Used) FIFO (First-In First-Out) RAND (a caso) 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 14 Il problema della gestionde dell I/O Interrupt e DMA Le operazioni di input/output sono asincrone rispetto alla Due approcci: polling interrupt 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 16 Polling Il esegue un ciclo di attesa: LOOP: INB R1, 0001 TSTI 0001 JMPNZ LOOP Interrupt Si basa su: segnale hardware che permette ai dispositivi esterni di segnalare eventi alla routine di servizio dell interrupt attivata quando la riceve la segnalazione Limitata efficienza Incompatibile con il multitasking 0007 segnale di interrupt 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 3

4 stampante Esempio routine di servizio (invio di 1 carattere alla stampante) stampa stampa stampa stampa La stampante segnala alla di essere pronta a ricevere un nuovo carattere 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 19 t Gestione dell interrupt Salvare il program counter nello stack Salto alla routine di servizio Salvataggio dei registri e dello stato del processore (la cosiddetta PSW - Processor Status Word) Eseguire l operazione di I/O Ripristinare lo stato dei registri e del processore Ripristinare il valore del program counter salvato 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 20 Mascheramento dell interrupt La chiamata ad una routine di interrupt normalmente attiva un flip-flop che disabilita la ricezione dell interrupt mentre si sta ancora servendo il precedente Esiste però quasi sempre almeno una linea di interrupt non mascherabile per le emergenze (es caduta di alimentazione) 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 21 Vettori di interrupt Permettono di gestire più periferiche Due approcci: linee di richieste indipendenti controller esterno 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 22 Linee di richieste indipendenti CALL ROUTINE 0 CALL ROUTINE 1 CALL ROUTINE 2 INT N CALL ROUTINE i address register arbitro di priorità INT 0 INT 1 INT Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 23 Controller esterno I dispositivi vengono gestiti da un sistema esterno: La riceve il segnale di interrupt La segnala al controller esterno che sta eseguendo un ciclo di interruzione Il controller seleziona la periferica da servire e trasmette alla, mediante il dati, il selettore di interruzione (l informazione di quale periferica è stata selezionata) 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 4

5 Direct Memory Access (DMA) Tecnica adatta per periferiche veloci Prevede il trasferimento diretto di dati (eventualmente a blocchi) tra la periferica e la memoria, senza eseguire routine di interrupt Richiede un DMA controller esterno 2000 Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) Pier Luca Montessoro (si veda la nota di copyright alla slide n 2) 5