Cache
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Na área da computação, cache é um dispositivo de acesso rápido, interno a um sistema, que serve de intermediário entre um operador de um processo e o dispositivo de armazenamento ao qual esse operador acede. A vantagem principal na utilização de uma cache consiste em evitar o acesso ao dispositivo de armazenamento - que pode ser demorado -, armazenando os dados em meios de acesso mais rápidos
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[editar] Nos dispositivos de armazenamento
Com o avanço tecnológico, vários tipos de cache foram desenvolvidos. Actualmente há cache em processadores, discos-rígidos, sistemas, servidores, nas placas-mães, entre outros. Qualquer dispositivo que requeira do usuário uma solicitação/requisição a algum outro recurso, seja de rede ou local, interno ou externo a esta rede, pode requerer ou possuir de fábrica o recurso de cache.
Por ser mais caro, o recurso mais rápido não pode ser usado para armazenar todas as informações. Sendo assim, usa-se a cache para armazenar apenas as informações mais frequentemente usadas. Nas unidades de disco também conhecidas como disco rígido ou Hard Drive (HD), também existem chips de cache nas placas eletrónicas que os acompanham. Como exemplo, a unidade Samsung de 160 GB tem 8 MBytes de cache.
No caso da informática, a cache é útil em vários contextos:
- Nos casos dos processadores, em que a cache disponibiliza alguns dados já requisitados e outros a processar;
- No caso dos navegadores, em que as páginas são guardadas localmente para evitar consultas constantes à rede (especialmente úteis quando se navega por páginas estáticas);
- No caso das redes de computadores , o acesso externo , ou à Internet , se dá por meio de um software que compartilha a conexão ou link , software este também chamado de proxy , que tem por função rotear as requisições a IPs externos à rede que se encontra , Nestes proxyes temos ainda um cache , que na verdade é uma enorme lista de todos os sites que foram visitados pelos usuários dos computadores desta rede, fazendo com isto a mesma função que os caches presentes nos navegadores , ou browsers, só que com a atribuição de servir a toda a rede e com isso aumentar a taxa de acerto dos proxyes , minimizar o consumo do link e agilizar a navegação.[1]
- Os servidores Web, também podem dispor caches configurados pelo administrador, que variam de tamanho conforme o número de page views que o servidor tem.
[editar] Operação
Um cache é um bloco de memória para o armazenamento temporário de dados que possuem uma grande probabilidade de serem utilizados novamente.
Uma definição mais simples de cache poderia ser: uma área de armazenamento temporária onde os dados freqüentemente acedidos são armazenados para acesso rápido.
Uma cache é feita de uma fila de elementos. Cada elemento tem um dado que é a cópia exacta do dado presente em algum outro local (original). Cada elemento tem uma etiqueta que especifica a identidade do dado no local de armazenamento original, que foi copiado.
Quando o cliente da cache (CPU, navegador etc.) deseja aceder a um dado que acredita estar no local de armazenamento, primeiramente ele verifica a cache. Se uma entrada for encontrada com uma etiqueta correspondente ao dado desejado, o elemento da cache é então utilizado ao invés do dado original. Essa situação é conhecida como cache hit (acerto do cache). Como exemplo, um navegador poderia verificar a sua cache local no disco para ver se tem uma cópia local dos conteúdos de uma página Web numa URL particular. Nesse exemplo, a URL é a etiqueta e o conteúdo da página é o dado desejado. A percentagem de acessos que resultam em cache hits é conhecida como a taxa de acerto (hit rate ou hit ratio) da cache.
Uma situação alternativa, que ocorre quando a cache é consultada e não contém um dado com a etiqueta desejada, é conhecida como cache miss (erro do cache). O dado então é copiado do local original de armazenamento e inserido na cache, ficando pronto para o próximo acesso.
Se a cache possuir capacidade de armazenamento limitada (algo comum de acontecer devido ao seu custo), e não houver mais espaço para armazenar o novo dado, algum outro elemento deve ser retirado dela para que liberte espaço para o novo elemento. A forma (heurística) utilizada para seleccionar o elemento a ser retirado é conhecida como política de troca (replacement policy). Uma política de troca muito popular é a LRU (least recently used), que significa algo como “elemento recentemente menos usado”.
Quando um dado é escrito na cache, ele deve ser gravado no local de armazenamento nalgum momento. O momento da escrita é controlado pela política de escrita (write policy). Existem diferentes políticas. A política de write-through (algo como “escrita através”) funciona da seguinte forma: a cada vez que um elemento é colocado no cache, ele também é gravado no local de armazenamento original. Alternativamente, pode ser utilizada a política de write-back (escrever de volta), onde as escritas não são directamente espelhadas no armazenamento. Ao invés, o mecanismo de cache identifica quais de seus elementos foram sobrepostos (marcados como sujos) e somente essas posições são colocadas de volta nos locais de armazenamento quando o elemento for retirado do cache. Por essa razão, quando ocorre um cache miss (erro de acesso ao cache pelo fato de um elemento não existir nele) em um cache com a política write-back, são necessários dois acessos à memória: um para recuperar o dado necessário e outro para gravar o dado que foi modificado no cache.
O mecanismo de write-back pode ser accionado por outras políticas também. O cliente pode primeiro realizar diversas mudanças nos dados do cache e depois solicitar ao cache para gravar os dados no dispositivo de uma única vez.
Os dados disponíveis nos locais de armazenamento original podem ser modificados por outras entidades diferentes, além do próprio cache. Nesse caso, a cópia existente no cache pode se tornar inválida. Da mesma forma, quando um cliente atualiza os dados no cache, as cópias do dado que estejam presentes em outros caches se tornarão inválidas. Protocolos de comunicação entre gerentes de cache são responsáveis por manter os dados consistentes e são conhecidos por protocolos de coerência.
[editar] Princípio da Localidade
É a tendência de o processador ao longo de uma execução referenciar instruções e dados da memória principal localizados em endereços próximos. Tal tendência é justificada devido as estruturas de repetição e as estruturas de dados, vetores e tabelas utilizarem a memória de forma subseqüente (um dado após o outro). Assim a aplicabilidade da cache internamente ao processador fazendo o intermédio entre a memória principal e o processador de forma a adiantar as informações da memória principal para o processador.
[editar] Tipos de Memória Cache
Memória Cache é uma pequena quantidade de memória estática de alto desempenho, tendo por finalidade aumentar o desempenho do processador realizando uma busca antecipada na memória RAM.
[editar] Erro de MISS
Quando o processador necessita de um dado, e este não está presente no cache, ele terá de realizar a busca diretamente na memória RAM, utilizando wait states e reduzindo o desempenho do computador. Como provavelmente será requisitado novamente (localidade temporal) o dado que foi buscado na RAM é copiado na cache.
[editar] Cache em Níveis
[editar] Cache L1
Uma pequena porção de memória estática presente dentro do processador.Em alguns tipos de processador, como o Pentium 2, o L1 é dividido, em dois níveis: dados e instruções, que "dizem" o que fazer com os dados. A partir do Intel 486, começou a se colocar a L1 no próprio chip [processador]. Geralmente tem entre 16KB e 512KB. O AMD Sempron 2600+ possui 64KB de cache L1.
[editar] Cache L2
Possuindo o Cache L1 um tamanho reduzido e não apresentando uma solução ideal, foi desenvolvido o cache L2, que contém muito mais memória que o cache 1.Ela é mais um caminho para que a informação requisitada não tenha que ser procurada na lenta memória principal.Alguns processadores colocam essa cache fora do processador, por questões econômicas, pois uma cache grande implica num custo grande , mas há exceções, como no Pentium II, por exemplo, cujas caches l1 e l2 estão no mesmo cartucho que está o processador.
[editar] Cache L3
Terceiro nível de cache de memória. Inicialmente utilizado pelo AMD K6-III (por apresentar o cache L2 integrado ao seu núcleo) utilizava o cache externo presente na placa-mãe como uma memória de cache adicional. Ainda é um tipo de cache raro. Ainda, pois a complexidade dos processadores atuais, com suas áreas chegando a milhões de transístores por micrômetros ou picômetros de área, ela será muito útil. É possível a necessidade futura de níveis ainda mais elevados de cache, como L4 e por diante
[editar] Tamanho da cache
Terceiro nível de cache de memória. Inicialmente utilizado pelo AMD K6-III (por apresentar o cache L2 integrado ao seu núcleo) utilizava o cache externo presente na placa-mãe como uma memória de cache adicional.
- A relação acerto/falha
- Tempo de acesso a memória principal
- O custo médio, por bit, da memória principal, da cache L1 e L2
- O tempo de acesso da cache L1 ou L2
- A natureza do programa a ser executado no momento
[editar] Técnicas de escrita de dados no cache
[editar] Write-Back Cache
Usando esta técnica a CPU escreve dados diretamente no cache, cabendo ao sistema a escrita posterior da informação na memória principal. Como resultado a CPU fica livre mais rapidamente para executar outras operações. Em contrapartida, a latência do controlador pode induzir problemas de consistência de dados na memória principal, em sistemas multiprocessados com memória compartilhada. Esses problemas são tratados por protocolos de consistência de cache.
[editar] Write-Through Cache
Quando o sistema escreve para uma zona de memória, que está sustida na cache, escreve a informação, tanto na linha específica da cache como na zona de memória ao mesmo tempo. Este tipo de caching providencia pior desempenho do que Write-Back Cache, mas é mais simples de implementar e tem a vantagem da consistência interna, porque a cache nunca está dessíncrona com a memória como acontece com a técnica Write-Back Cache.
