Auswirkungen der Missstrafe auf die Systemleistung

Die Missstrafe in einem Cache -Speichersystem ist die Zeit, die zum Abrufen der Daten benötigt wird, die nach einem Cache -Fehlschlag erforderlich sind. Es ist ein entscheidender Faktor, der die Systemleistung beeinflusst, da es erhebliche Verzögerungen einführt, insbesondere bei modernen Prozessoren, bei denen die Ausführungsgeschwindigkeiten extrem schnell sind.

Negative Auswirkungen einer hohen Missstrafe:

1. Stillle der CPU: Wenn ein Cache -Fehlschlag auftritt, bleibt die CPU typischerweise ihre Ausführungspipeline aufbewahrt und darauf wartet, dass die Daten aus einer langsameren Speicherebene (z. B. Hauptspeicher, Festplatte) abgerufen werden. Dieses Stalling führt direkt zu einem reduzierten Anweisungsdurchsatz und einer langsameren Programmausführung.

2. Gesamtleistung reduziert: Eine hohe Missstrafe vergrößert den Einfluss einer moderaten Fehlrate. Eine niedrige Fehlrate mit einer hohen Missstrafe kann immer noch zu einer erheblichen Leistungsverschlechterung führen.

3. Erhöhte Latenz: Die Gesamtlatenz für den Zugriff auf Daten nimmt während eines Cache -Fehls dramatisch zu. Dies beeinflusst die Reaktionsfähigkeit von Anwendungen und die Geschwindigkeit verschiedener Systemvorgänge.

4. Erhöhter Stromverbrauch: Das Warten auf Daten kann zu IDLE -Prozessorzyklen führen, aber auch das Potenzial für den weiteren Stromverbrauch von Speichercontrollern und Verbindungen aufgrund der laufenden Datenübertragung vom langsameren Speicher zum Cache.

Kurz gesagt bedeutet eine Strafe mit hoher Fehlverstärkung, dass das System viel Zeit damit verbringt, auf Daten zu warten und seine Fähigkeit zu behindern, nützliche Berechnungen durchzuführen.

Minimierung und Optimierung von Missstrafe

minimieren und optimieren

Hier sind verschiedene Techniken, um die Missstrafe für eine bessere Systemleistung zu minimieren und zu optimieren:

1. Multi-Level-Caches:

* Konzept: Verwendung mehrerer Cache -Ebenen (L1, L2, L3 usw.) mit zunehmender Größe und Latenz. L1 ist am schnellsten und kleinsten, während die tieferen Ebenen größer und langsamer sind.

* Auswirkung: Ein Fehlschlag in L1 könnte ein Treffer in L2 oder L3 sein, der die Notwendigkeit reduziert, zum Hauptspeicher zu gehen (der die höchste Strafe hat). Dies verringert die durchschnittliche Missstrafe erheblich.

2. Priorität über schreiben:

* Konzept: Wenn ein Leseverschluss auftritt, priorisieren Sie das Abrufen der Daten vor dem Abschluss von ausstehenden Schreibvorgängen im Cache.

* Auswirkung: Reduziert die Verzögerung für die CPU, um die erforderlichen Daten zu erhalten, da das System nicht warten muss, bis die Schreibvorgänge abgeschlossen sind, bevor das Lesen beginnt. Schreibvorgänge können später gepuffert und durchgeführt werden.

3. Früher Neustart und kritisches Wort zuerst:

* Konzept (frühes Neustart): Senden Sie es an die CPU, sobald das angeforderte Wort aus dem Speicher eintrifft, ohne darauf zu warten, dass der gesamte Block in den Cache geladen wird.

* Konzept (kritisches Wort zuerst): Abrufen Sie zuerst das angeforderte Wort und dann den Rest des Blocks.

* Auswirkung: Ermöglicht es der CPU, die Ausführung früher wieder aufzunehmen, noch bevor der gesamte Cache -Block verfügbar ist.

4. Nicht blockierende Caches (lockup-freie Caches):

* Konzept: Lassen Sie der CPU die Bearbeitung anderer Anweisungen fortsetzen, während ein Cache -Fehlschlag gewartet wird.

* Auswirkung: Verhindert, dass die CPU vollständig zum Stillstand kommt. Der Cache kann mehrere herausragende Fehler bewältigen und die Leistung verbessern, insbesondere mit Ausführung außerhalb der Reihenfolge.

5. Pipelined Cache -Zugriff:

* Konzept: Überlappen Sie die Cache -Zugriffsstufen (Adressdecodierung, Tag -Vergleich, Datenabruf).

* Auswirkung: Erhöht den Durchsatz des Cache, indem mehrere Anforderungen gleichzeitig bearbeitet werden können, auch wenn jede Anforderung eine bestimmte Zeit in Anspruch nimmt.

6. Schreiben Sie Puffer:

* Konzept: Speichern Sie die Daten in einem Schreibpuffer, anstatt sofort in einen Hauptspeicher in einem Schreibmehl zu schreiben.

* Auswirkung: Ermöglicht die CPU weiter, ohne auf die Abschluss des Schreibvorgangs zu warten. Der Schreibpuffer spült schließlich die Daten in den Speicher. Wichtig, um Kohärenz zu gewährleisten.

7. Daten vor dem Abschluss:

* Konzept: Prognostiziert zukünftige Datenbedürfnisse und holt Daten in den Cache, bevor er tatsächlich angefordert wird. Dies kann über Hardware- oder Software -Vorabfassungen erreicht werden.

* Auswirkung: Reduziert die Anzahl der Cache -Fehler, indem Daten proaktiv in den Cache eingebracht werden.

* Typen:

* Hardware -Vorabsteuerung: Dedizierte Hardware überwacht Speicherzugriffsmuster und initiiert Präfetationen basierend auf erkannten Mustern.

* Software Vorabsteuchten: Der Code werden Anweisungen hinzugefügt, um Daten explizit in den Cache einzudämmen.

8. Cache -Größe und Assoziativität:

* Konzept: Die Erhöhung der Cache -Größe verringert die Fehlrate. Eine zunehmende Assoziativität verringert Konfliktfehlungen.

* Auswirkung: Diese Maßnahmen verbessern die Gesamt -Trefferquote und reduzieren Missen. Größere Caches und höhere Assoziativität erhöhen jedoch die Kosten und Komplexität des Cache.

9. Compiler -Optimierungen (Datenlayout und Schleifentransformationen):

* Konzept:

* Datenlayoutoptimierung: Ordnen Sie Daten im Speicher an, um die räumliche Lokalität zu verbessern (z. B. Strukturen von Arrays gegenüber Strukturen).

* Loop -Transformationen: Umstrukturieren Sie Schleifen (z. B. Schleifenkacheln, Schleifenabschläge), um die zeitliche und räumliche Lokalität zu verbessern.

* Auswirkung: Reduziert die Anzahl der Cache -Missen, indem sie die im Programm zugegriffene und wiederverwendete Daten verbessert.

10. Opfer Caches:

* Konzept: Ein kleiner, vollständig assoziierter Cache, der kürzlich ausgestattete Cache -Zeilen speichert.

* Auswirkung: Reduziert Konfliktfehlungen durch eine "zweite Chance" für kürzlich vertraute Daten.

11. TLB -Optimierungen:

* Konzept: Optimieren Sie den Übersetzungs-Lookaside-Puffer (TLB), der virtuelle zu physische Adressübersetzungen zwischengespeichert. TLB -Misses kann auch zu erheblichen Leistungsstrafen führen.

* Auswirkung: Eine schnellere Adressübersetzung reduziert den Overhead, der dem Zugriff auf Daten im Speicher zugeordnet ist.

Überlegungen:

* Die besten Optimierungstechniken hängen von der spezifischen Anwendung, Hardwarearchitektur und Workload ab.

* Es handelt sich häufig um einen Balanceakt zwischen der Reduzierung der Missrate und der Fehlverfolgung, da einige Techniken, die die Missrate reduzieren, die Komplexität und Latenz des Cache -Zugriffs erhöhen können.

* Profiling- und Leistungsanalyse-Tools sind für die Identifizierung von Engpässen im Zusammenhang mit Cache und die Ermittlung der effektivsten Optimierungsstrategien von wesentlicher Bedeutung.

Zusammenfassend erfordert die Minimierung der Missstrafe eine Kombination aus Hardware- und Softwaretechniken, die sorgfältig auf das spezifische System und die spezifische Anwendung zugeschnitten sind. Durch die Reduzierung der Zeit, die auf Daten aufgewendet wird, können wir die Gesamtsystemleistung erheblich verbessern.