Die Auswirkungen eines Cache -Missstrafens auf die Leistung eines Computersystems sind erheblich und fast immer negativ. Hier ist eine Aufschlüsselung von Warum:
Was ist ein Cache -Missstrafe?
* Cache -Hit: Wenn die CPU Daten benötigt, überprüft sie zunächst den Cache (ein kleiner, schneller Speicher). Wenn die Daten dort gefunden werden, handelt es sich um einen "Cache -Treffer" und der Zugriff ist schnell.
* Cache Miss: Wenn die Daten im Cache * nicht * sind, handelt es sich um einen "Cache -Miss".
* Cache -Missstrafe: Die Zeit, die zum Abrufen der Daten aus dem Hauptspeicher (RAM) benötigt wird, und in den Cache * nach einem Cache -Fehlschlag in den Cache * lädt, ist die "Cache -Miss -Strafe". Dies beinhaltet mehrere Schritte:
* Den Miss erkennen.
* Zugriff auf den Hauptspeicher, der viel langsamer ist als der Cache.
* Übertragen Sie die angeforderten Daten vom Hauptspeicher auf den Cache.
* Übermittlung der Daten an die CPU.
Auswirkungen auf die Leistung:
1. Ausführungsverlust: Der direkteste Effekt ist, dass die CPU darauf warten muss, dass die Daten aus dem Hauptspeicher abgerufen werden. Während dieser Zeit wird die CPU häufig zum Stillstand gebracht (im Leerlauf) und nicht in der Lage, ihre Anweisungen fortzusetzen. Dies wartet erheblich verlangsamt die Gesamtausführung des Programms.
2. Erhöhte Durchschnittsspeicherzugriffszeit (AMAT): Der AMAT ist eine Schlüsselmetrik für die Messung des Speichersystems. Es ist berechnet als:
`Amat =Trefferzeit + (Miss Rate * Fräulein Strafe)`
* Trefferzeit: Die Zeit, die zum Zugriff auf Daten im Cache erforderlich ist, wenn ein Treffer auftritt.
* Miss Rate: Der Prozentsatz des Speichers zugreift, der zu einem Cache -Fehlschlag führt.
* Missstrafe: Die Zeit, die für den Umgang mit einem Cache -Miss (wie oben definiert) dauert.
Mit zunehmender Strafe steigt auch der AMAT. Ein höherer AMAT bedeutet, dass im Durchschnitt der Speicherzugriff länger dauert und zu einer langsameren Programmausführung führt.
3. Performance Engpass: Eine hohe Missstrafe kann zu einem wichtigen Performance -Engpass werden. Wenn ein Programm eine hohe Fehlrate und eine große Missstrafe hat, verbringt die CPU eine unverhältnismäßige Zeit, die auf Daten aus dem Speicher wartet, anstatt tatsächlich Berechnungen durchzuführen. Dies gilt insbesondere für speicherintensive Anwendungen wie wissenschaftliche Simulationen, Datenanalyse und Grafikverarbeitung.
4. Auswirkungen auf Multicore -Systeme: In Multicore -Systemen kann eine Straftat mit hoher Fehlverstärkung gegen die Speicherbandbreite führen. Wenn mehrere Kerne gleichzeitig mit Cache fehlern, müssen alle auf den Hauptspeicher zugreifen. Wenn der Speicherbus gesättigt wird, erhöht sich die effektive Missstrafe noch weiter und verschärft das Leistungsproblem.
5. Energieverbrauch: Der Zugriff auf den Hauptspeicher verbraucht mehr Energie als der Zugriff auf den Cache. Eine hohe Fehlrate und eine große Missstrafe bedeuten, dass das System mehr Zeit und Energie für den Hauptspeicher verbringt, was zu einem erhöhten Stromverbrauch führt.
Faktoren, die die Missstrafe beeinflussen:
* Hauptspeicherlatenz: Die Geschwindigkeit der RAM -Module. Schnellerer RAM reduziert im Allgemeinen die Missstrafe.
* Speicherbusbandbreite: Die Rate, mit der Daten zwischen dem RAM und der CPU übertragen werden können. Ein breiterer und schnellerer Bus ist besser.
* Cache -Hierarchie: Die Verwendung mehrerer Cache -Ebenen (L1, L2, L3) kann dazu beitragen, die Missstrafe zu verringern. Wenn Daten nicht in L1 sind, ist sie möglicherweise in L2, was schneller als Hauptspeicher ist.
* Datenträgerzugriff (für virtuellen Speicher): Wenn die angeforderten Daten nicht im Hauptspeicher, sondern auf der Festplatte sind (virtueller Speicher), wird die Missstrafe * enorm * (Millisekunden anstelle von Nanosekunden oder Mikrosekunden). Dies wird als "Seitenfehler" bezeichnet.
Minderungstechniken:
Da der Cache -Missstrafen so schädlich ist, werden viele Techniken verwendet, um sie zu minimieren:
* größere Caches: Größere Caches können mehr Daten enthalten und die Fehlrate verringern.
* assoziative Caches: Eine erhöhte Assoziativität ermöglicht es, dass Daten an mehr Stellen innerhalb des Cache platziert werden, was auch die Fehlrate verringert.
* Vorabsteuchten: Vorhersage, welche Daten in Zukunft benötigt werden, und in den Cache * vor * wird tatsächlich angefordert. Dies kann die Latenz des Speicherzugriffs verbergen.
* cache-freundliches Programmieren: Schreiben von Code, der auf den auf sequenziellen und aufeinanderfolgenden Speicher auf den Speicher zugreift. Dies erhöht die Cache -Lokalität und verringert die Fehlrate. Beispiele sind:
* räumliche Lokalität: Zugriff auf Datenelemente, die im Speicher nahe beieinander liegen (z. B. durch ein Array durch ein Array).
* zeitliche Lokalität: Wiederverwenden von Daten, auf die in letzter Zeit zugegriffen wurde.
* Ausführung außerhalb der Bestellung: Die CPU kann weiterhin andere Anweisungen ausführen und darauf warten, dass Daten aus dem Speicher abgerufen werden.
* Multithreading/Multiprocessing: Während ein Thread/Prozess darauf wartet, dass ein Cache -Miss aufgelöst wird, kann ein weiterer Thread/Prozess ausgeführt werden, sodass die CPU beschäftigt ist.
Zusammenfassend verschlechtert ein großer Cache -Missstrafe die Leistung des Computersystems erheblich, indem die CPU eingestellt, die durchschnittliche Speicherzugriffszeit erhöht und möglicherweise einen großen Engpass erzeugt. Daher ist es entscheidend, sowohl die Fehlrate als auch die Missstrafe zu minimieren, um eine gute Leistung zu erzielen.
