O que significam princípio da localidade da referência, princípio da inclusão e princípio da coerência cache na organização hierárquica de memória?

Passo 1

Beleza, então vamos lá! A pergunta que você fez quer saber o que significam três princípios importantes na organização hierárquica de memória em computadores: o princípio da localidade da referência, o princípio da inclusão e o princípio da coerência cache. Para entender isso, vamos precisar dar uma olhada básica em como a memória funciona nos sistemas computacionais, especialmente quando falamos de caches, que são memórias rápidas usadas para acelerar o acesso aos dados.

Passo 2

Primeiro, vamos falar sobre o princípio da localidade da referência. Esse princípio diz que os programas tendem a acessar um conjunto relativamente pequeno de locais de memória repetidamente em curtos períodos de tempo. Existem dois tipos principais de localidade:
  1. Localidade Temporal: Se um dado foi acessado recentemente, há uma boa chance de que será acessado novamente em breve.
  2. Localidade Espacial: Se um dado foi acessado, é provável que dados próximos a ele também sejam acessados em breve.
Por exemplo, se você está lendo um livro, você provavelmente vai ler várias palavras próximas uma da outra (localidade espacial) e pode voltar a uma página recente (localidade temporal). Nos computadores, os caches aproveitam esse comportamento para guardar dados que provavelmente serão usados novamente ou estão próximos dos dados já usados, tornando o acesso mais rápido.

Passo 3

Agora, sobre o princípio da inclusão. Esse princípio se aplica especialmente em sistemas com múltiplos níveis de cache, como L1, L2 e L3. O princípio da inclusão diz que os dados contidos em um nível de cache mais rápido (como o L1) também devem estar presentes nos níveis de cache mais lentos (como o L2 e L3). Isso ajuda a manter a consistência e facilita a gestão dos dados entre os diferentes níveis de cache.
Por exemplo, se um dado está no cache L1, ele também deve estar no L2 e no L3. Dessa forma, se a cache L1 precisa liberar espaço, o dado ainda está disponível nos caches L2 e L3, evitando a necessidade de ir até a memória principal, que é mais lenta.

Passo 4

Por fim, vamos entender o princípio da coerência cache. Esse princípio é crucial em sistemas com múltiplos processadores que possuem suas próprias caches. A coerência cache garante que todas as caches vejam uma visão consistente da memória compartilhada. Ou seja, se um processador modifica um dado na sua cache, essa alteração deve ser refletida nas caches dos outros processadores para evitar conflitos e garantir que todos estejam trabalhando com as informações mais atualizadas.
Imagine que dois amigos estão escrevendo no mesmo documento. Se um amigo faz uma alteração, o outro deve ver essa mudança imediatamente para evitar confusões. Nos computadores, protocolos de coerência cache, como o MESI, são usados para gerenciar essas atualizações e garantir que todas as caches estejam sincronizadas.

Resposta

Então, resumindo:
  1. Princípio da Localidade da Referência: Programas acessam dados que estão próximos ou que foram usados recentemente, permitindo que os caches armazenem essas informações para acesso rápido.
  2. Princípio da Inclusão: Dados em caches mais rápidas (como L1) também estão presentes em caches mais lentas (como L2 e L3), facilitando a gestão e consistência dos dados.
  3. Princípio da Coerência Cache: Em sistemas com múltiplos processadores, garante que todas as caches vejam a memória de forma consistente, atualizando todas as caches quando um dado é modificado.
Esses princípios juntos ajudam a otimizar o desempenho da memória nos sistemas computacionais, tornando o acesso aos dados mais eficiente e consistente.

Exercícios relacionados

Escreva a fórmula do tempo médio de acesso a memória (Average Memory Access Time AMAT) quando há dois níveis de cache L1 e L2.
Considere um computador com um espaço de endereçamento de 12-bits (isto é, cada endereço de memória tem 12 bits de largura) e a memória é byte endereçável. A organização hierárquica de memória tem um cache de dados ( -cache) com capacidade de 8 blocos, onde cada bloco do cache é de 8 bytes (excluindo qualquer overhead).
Durante a execução de um determinado programa, o processador emite uma sequência de referências de leitura de memória. A string de referência de memória é demonstrada na sequência de endereços a seguir: 0x200, 0x204, 0x208, 0x20C, 0x2F4, 0x2F0, 0x200, 0x204, .
Este padrão de acesso é repetido quatro (4) vezes (como um laço que itera 4 vezes).
a) Simule a execução do fragmento de código ilustrado acima, considerando a organização de memória descrita e apresente como resposta a configuração final do cache após a execução de cada iteração do laço. Considere que o cache está inicialmente vazio (limpo) e com função de mapeamento direto. Calcule a taxa de acerto (hit rate) da execução.
b) Repita o item (a), considerando um cache de mapeamento totalmente associativo e algoritmo de substituição LRU.
c) Repita o item (a), considerando um cache de mapeamento associativo por conjunto de 4vias e algoritmo de substituição LRU.
Defina o que é um cache com política de escrita write-through? Essa política é mais rápida/mais lenta do que um cache com política write-back em relação ao tempo que consome nas operações de escrita.
O tempo médio (esperado) para acessar a memória (AMAT - Average Memory Access Time), pode ser calculado pela seguinte formula:
Lembre-se que a taxa de penalidade (miss penalty) é o tempo adicional que é consumido para acessar a memória em um evento de falta de cache (cache miss). Por essa razão, uma falta de cache é calculada como (hit time + miss penalty time).
Considere um sistema de memórias cache com as seguintes propriedades. Responda, qual é o tempo de acesso médio a esse sistema de memória (AMAT)?
  • L1$ hits em 1 cycle (local miss rate 35%)
  • L2$ hits em 10 cycles (local miss rate 20%)
  • L3$ hits em 40 cycles (global miss rate 5%)
  • Memória principal hits em 100 cycles (always hits)