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Arquitectura de computadores. Jerarquía de memoria




Enviado por Pablo Turmero



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    Resumen
    Modelo de von Neumann
    Características de los sistemas de memoria
    Memorias semiconductoras
    Almacenamiento en el computador
    Brecha de rendimiento entre el procesador y la memoria
    Principio de localidad
    Jerarquía de memoria
    Aspectos básicos de memoria cache

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    Modelo de von Neumann
    Concepto del programa almacenado
    Las instrucciones y los datos de un programa se guardan en una memoria de lectura/escritura

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    CPU
    Busses
    Controllers
    Working storage
    SRAM (Cache)
    DRAM (Main memory)
    Permanent storage
    Magnetic disks
    Optical disks
    Tapes
    Input
    Keyboard
    Mouse
    Scanner
    Digital Camera
    Network
    Sound, Video cards

    Screen
    Printer
    Output
    Memory system
    I/O system

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    Características de los sistemas de memoria
    Ubicación (Interna, Externa)

    Capacidad

    Unidad de transferencia

    Método de acceso (Secuencial, Directo, Aleatorio, Asociativo)

    Rendimiento (Tiempo de acceso (latencia), Tiempo de ciclo de memoria, Tasa de transferencia)

    Tecnología de fabricación (Semiconductor (Transistores CMOS), Superficie magnética, Óptica)

    Características físicas (Volátil, No volátil)

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    Memorias semiconductoras
    Memoria de acceso aleatorio (RAM)
    Memoria volátil
    Lectura/escritura
    El tiempo de acceso es independiente de la posición de memoria y de la secuencia previa de accesos
    La memoria RAM es la memoria a la que se refieren las características de un computador
    Almacena las instrucciones y los datos que requiere el computador para ejecutar los programas
    1981: “640KB of memory ought to be enough for anybody” Bill Gates
    2007: Windows Vista requiere mínimo de 2GB de RAM para comportarse decentemente!!!
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    Memorias semiconductoras
    Dynamic RAM (DRAM)
    Es la forma más popular de RAM
    Construcción basada en celdas que almacenan el dato como la carga de un capacitor (es, en esencia, un dispositivo analógico)
    La presencia o ausencia de carga se interpreta como un estado binario (0, 1)
    Requiere de un refrescamiento periódico de la carga para conservar el dato almacenado
    Gran densidad de integración (1 transistor por celda) y bajo costo
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    Memorias semiconductoras
    Static RAM (SRAM)
    Dispositivo digital que usa la misma tecnología de fabricación de la CPU
    Se emplea para ofrecer una interfaz directa a la CPU (memoria cache)
    Una celda SRAM consiste en un flip-flop biestable: cuando no se direcciona la celda, los dos transistores de acceso están abiertos y el dato se conserva en un estado estable
    El flip-flop necesita de un suministro eléctrico constante para conservar la información (volátil)
    No es necesario un ciclo de refrescamiento
    SRAM es más rápida, menos densa (6 transistores por celda), consume más potencia que DRAM, y es mucho más costosa
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    Almacenamiento en el computador
    Static RAM (SRAM)
    0.5ns – 2.5ns, USD $2000 – $5000 por GB

    Dynamic RAM (DRAM)
    50ns – 70ns, USD $20 – $75 por GB

    Disco magnético
    5ms – 20ms, USD $0.20 – $2 por GB

    Memoria ideal
    Tiempo de acceso de SRAM
    Capacidad y costo/GB del disco
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    Brecha de rendimiento entre el procesador y la memoria
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    ?P: 50%/year
    DRAM: 10%/year
    Processor-Memory
    performance gap
    (grows ~40%/year)
    Ley de Moore

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    Acerca del sistema de memoria
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    Hechos:
    Es necesario suministrar al procesador una instrucción y algunos operandos cada nuevo ciclo de reloj
    Las memorias grandes son lentas, y las memorias rápidas son pequeñas

    ¿Cómo crear una memoria que ofrezca la ilusión de ser grande, barata y rápida (la mayor parte del tiempo)?
    Con una jerarquía
    Con paralelismo

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    Principio de localidad
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    En un momento dado, un programa sólo accede a una pequeña porción de su espacio de direcciones

    Localidad temporal
    Es muy probable que los ítems a los que se ha accedido recientemente sean referenciados pronto otra vez
    Ejemplo: las instrucciones de un bucle

    ? Mantener los ítems accedidos más recientemente cerca del procesador

    Localidad espacial
    Es muy probable que los ítems cercanos a aquellos accedidos recientemente sean referenciados pronto
    Ejemplos: acceso secuencial a instrucciones, elementos de un array

    ? Mover bloques consistentes en varias palabras contiguas cerca del procesador

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    Jerarquía de memoria
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    Sacando provecho del principio de localidad se puede tener la ilusión de disponer de tanta memoria como lo permite la tecnología más barata, a la velocidad de la tecnología más rápida

    Jerarquía de memoria

    Consiste en disponer de diferentes niveles de memoria con diferentes velocidades y tamaños

    Almacenar todo en el disco
    Copiar los ítems accedidos recientemente (y sus vecinos) desde el disco a una memoria DRAM más pequeña
    Memoria principal
    Copiar los ítems accedidos recientemente (y sus vecinos) desde la DRAM a una memoria SRAM más pequeña
    Memoria caché unida a la CPU

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    Memoria cache ($ memory)
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    Nivel de la jerarquía de memoria que ubicado entre el procesador y la memoria principal

    Se implementa usando la misma tecnología de fabricación de la CPU (normalmente integrada en el mismo chip)
    Más rápida pero también más costosa que la DRAM

    La memoria cache almacena un subconjunto de la memoria principal

    La mayoría de los procesadores poseen caches de datos e instrucciones separadas

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    Representación de la jerarquía de memoria
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    Procesador
    (Gp:) Tamaño de memoria en cada nivel

    (Gp:) Mayor distancia al procesador, mayor tiempo de acceso

    (Gp:) Nivel 1
    (Gp:) Nivel 2
    (Gp:) Nivel n
    (Gp:) Nivel 3
    (Gp:) . . .

    Mayor
    Menor
    (Gp:) Niveles en la jerarquía de memoria

    En niveles inferiores, la latencia crece y el precio por bit disminuye

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    Terminología de la jerarquía de memoria
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    Bloque:
    Unidad de información que está presente o no en un nivel de la jerarquía
    Unidad mínima de transferencia
    Puede ser de varias palabras
    Cuando el procesador solicita un dato:
    Si el dato accedido está en el nivel superior:
    Acierto (Hit): acceso satisfecho por el nivel superior
    Tasa de aciertos (Hit ratio): aciertos/accesos
    Tiempo de acierto (Hit time)
    Si el dato accedido no está en el nivel superior:
    Fallo (Miss): el bloque es copiado desde el nivel inferior
    Tiempo necesario: penalización de fallo (miss penalty)
    Tasa de fallos (Miss ratio): fallos/accesos= 1 – tasa de aciertos

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    Tiempo de acierto, penalización de fallo
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    Hit time: Tiempo de acierto
    Tiempo para acceder a un nivel de la jerarquía
    Consiste en:
    Tiempo para acceder al bloque + Tiempo para determinar si hay acierto/fallo

    Miss Penalty: Penalización de fallo
    Tiempo para reemplazar un bloque en un nivel de la jerarquía con el bloque correspondiente del nivel inferior
    Consiste en:
    Tiempo para acceder al bloque en el nivel inferior +
    Tiempo para transferir ese bloque al nivel que sufrió el fallo +
    Tiempo para insertar el bloque en este nivel +
    Tiempo para pasar el bloque a quien lo solicita

    Para la que el diseño de la jerarquía de memoria tenga sentido:
    Hit Time

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