Cos’è, a cosa serve e come funziona la CPU Cache
CPU
L’unità di elaborazione centrale (CPU) o processore, è l’unità che esegue la maggior parte dell’elaborazione all’interno di un computer. Essa elabora tutte le istruzioni ricevute dal software in esecuzione sul computer e da altri componenti hardware.
Più in dettaglio, la CPU ha dunque il compito di eseguire le istruzioni di un programma presente nella ROM in fase di boot, nella memoria centrale (o primaria ovvero la RAM) dopo averlo prelevato dalla memoria secondaria (o di massa) o da altri dispositivi: durante l’esecuzione del programma l’unità legge o scrive dati direttamente da o nella memoria centrale; il risultato dell’esecuzione finale dipende dal dato su cui si opera e dallo stato interno in cui la CPU stessa si trova e può mantenere la traccia delle istruzioni eseguite e dei dati letti come la CPU cache.
CPU Cache
La CPU cache (anche chiamata memory cache) è la cache utilizzata dalla CPU di un computer per ridurre il tempo medio d’accesso alla memoria. La cache è un tipo di memoria piccola, ma molto veloce, che mantiene copie dei dati ai quali si fa più frequentemente accesso in memoria principale. Finché la maggior parte degli accessi alla memoria avviene su dati caricati nella cache, la latenza media dell’accesso alla memoria sarà più vicina alla latenza della cache piuttosto che a quella della memoria principale.
Quando il processore vuole leggere o scrivere in una data collocazione in memoria principale, inizialmente controlla se il contenuto di questa posizione è caricato in cache. Questa operazione viene effettuata confrontando l’indirizzo della posizione di memoria con tutte le etichette nella cache che potrebbero contenere quell’indirizzo. Se il processore trova che la posizione di memoria è in cache, si parla di cache hit (accesso avvenuto con successo), altrimenti di cache miss (fallimento d’accesso). Nel caso di un cache hit, il processore legge o scrive immediatamente il dato sulla linea di cache. Il rapporto tra cache hit e accessi totali è chiamato anche hit rate ed è una misura dell’efficacia della cache stessa.
Nel caso di un cache miss, la maggior parte delle cache crea una nuova entità, che comprende l’etichetta appena richiesta dal processore ed una copia del dato dalla memoria. Un fallimento del genere è relativamente lento, in quanto richiede il trasferimento del dato dalla memoria principale, il cui tempo di risposta è molto maggiore di quello della memoria cache.
Il grande vantaggio dei vari tipi di cache presenti nella cpu è legato all’uso di questo tipo di memoria con il meccanismo di pipeline. All’inizio non aveva molto senso utilizzare una pipeline che poteva elaborare istruzioni molto più velocemente del tempo di latenza della memoria principale. Utilizzando invece la cache la pipeline può elaborare le istruzioni con il tempo di latenza della cache che è molto più breve del tempo di latenza della memoria RAM. Questo fatto ha permesso di innalzare le frequenze di lavoro dei processori molto più di quelle delle memorie di sistema.
