Effekterna av en cache missstraff på ett datorsystem är betydande och nästan alltid negativ. Här är en uppdelning av varför:
Vad är en cache missstraff?
* cache hit: När CPU behöver data kontrollerar den först cachen (ett litet, snabbt minne). Om uppgifterna finns där är det en "cache hit" och åtkomst är snabb.
* Cache Miss: Om data är * inte * i cachen är det en "Cache Miss."
* Cache Miss Penalty: Den tid det tar att hämta data från huvudminnet (RAM) och ladda dem i cachen * efter * en cache -miss är "Cache Miss Penalty." Detta innebär flera steg:
* Upptäcka missen.
* Åtkomst till huvudminnet, vilket är mycket långsammare än cachen.
* Överföra de begärda uppgifterna från huvudminnet till cachen.
* Leverera data till CPU.
Påverkan på prestanda:
1. Avmattning av exekvering: Den mest direkta effekten är att CPU måste vänta på att uppgifterna hämtas från huvudminnet. Under denna tid stannar CPU ofta (tomgång) och kan inte fortsätta med sina instruktioner. Denna väntan bromsar avsevärt den övergripande genomförandet av programmet.
2. Ökad genomsnittlig minnesåtkomsttid (AMAT): AMAT är en viktig metrisk för att mäta minnessystemets prestanda. Det beräknas som:
`Amat =Hit Time + (Miss Rate * Miss Penalty)`
* Hit Time: Den tid det tar att komma åt data i cachen när en hit inträffar.
* miss ränta: Procentandelen minnesåtkomst som resulterar i en cache -miss.
* missstraff: Den tid det tar att hantera en cachemiss (enligt definitionen ovan).
När missstraffet ökar ökar Amat också. En högre AMAT innebär att minnesåtkomst i genomsnitt tar längre tid, vilket leder till långsammare programutförande.
3. Performance Botthals: En hög missstraff kan bli en stor flaskhals för prestanda. Om ett program har en hög missfrekvens och en stor missstraff, spenderar CPU en oproportionerlig tid som väntar på data från minnet, snarare än att faktiskt utföra beräkningar. Detta gäller särskilt för minnesintensiva applikationer som vetenskapliga simuleringar, dataanalys och grafikbehandling.
4. Påverkan på multicore -system: I multicore -system kan en hög missstraff skapa stridighet för minnesbandbredd. När flera kärnor samtidigt upplever cache missar måste de alla komma åt huvudminnet. Om minnesbussen blir mättad ökar den effektiva missstraffet ytterligare och förvärrar prestandaproblemet.
5. Energikonsumtion: Åtkomst till huvudminnet förbrukar mer energi än att komma åt cachen. En hög missfrekvens och stor missstraff innebär att systemet spenderar mer tid och energi åtkomst till huvudminnet, vilket leder till ökad strömförbrukning.
Faktorer som påverkar missstraffet:
* Huvudminneslatens: Hastigheten på RAM -modulerna. Snabbare RAM minskar i allmänhet missstraffet.
* Memory Bus Bandbredd: Hastigheten med vilken data kan överföras mellan RAM och CPU. En bredare och snabbare buss är bättre.
* cache hierarki: Att använda flera nivåer av cache (L1, L2, L3) kan bidra till att minska missstraffet. Om data inte är i L1 kan det vara i L2, vilket är snabbare än huvudminnet.
* diskåtkomst (för virtuellt minne): Om de begärda uppgifterna inte finns i huvudminnet utan på hårddisken (virtuellt minne) blir missstraffet * enorm * (millisekunder istället för nanosekunder eller mikrosekunder). Detta kallas ett "sidfel."
Mitigationstekniker:
Eftersom Cache Miss -straffen är så skadlig används många tekniker för att minimera den:
* Större cachar: Större cachar kan innehålla mer data, vilket minskar missfrekvensen.
* Mer associerande cachar: Ökad associativitet gör det möjligt att placera data på fler platser inom cachen, vilket också minskar missfrekvensen.
* prefetching: Förutsäga vilka uppgifter som kommer att behövas i framtiden och ladda dem i cachen * innan * det faktiskt begärs. Detta kan dölja latensen för minnesåtkomst.
* cachevänlig programmering: Skrivkod som får åtkomst till minne på ett förutsägbart, sekventiellt sätt. Detta ökar cache -lokaliteten och minskar missfrekvensen. Exempel inkluderar:
* rumslig lokalitet: Åtkomst till dataelement som är nära varandra i minnet (t.ex. iterering genom en matris i följd).
* Temporal lokalitet: Återanvändningsdata som har nåtts nyligen.
* out-of-order exekvering: CPU kan fortsätta utföra andra instruktioner medan du väntar på att data ska hämtas från minnet.
* multithreading/multiprocessing: Medan en tråd/process väntar på att en cache -miss ska lösas, kan en annan tråd/process köras, vilket håller CPU upptagen.
Sammanfattningsvis försämrar en stor cache -missstraff avsevärt datorsystemets prestanda genom att stoppa CPU, öka genomsnittlig minnesåtkomsttid och potentiellt skapa en stor flaskhals. Därför är minimering av både Miss Rate och Miss -straffen avgörande för att uppnå god prestanda.
