Cache und Register

Das Warteproblem

Zwischen Prozessor und Arbeitsspeicher liegt der Bus. Jedes Datenwort muss erst über den Bus hin- und hertransportiert werden. Moderne Prozessoren rechnen aber viel schneller, als der Arbeitsspeicher Daten liefern kann:

• Der Prozessor muss warten, bis alle Daten über den Bus transportiert wurden.
• Viel Prozessorzeit wird mit Warten verschwendet.

Die Lösung: Ein Teil des Arbeitsspeichers wird direkt im Prozessorchip platziert – der Cache (von franz. caché, „versteckt“: ein versteckter Arbeitsspeicher).

Der Cache

• hat deutlich weniger Speicherzellen als der RAM (z. B. 32 MB)
• ist deutlich schneller als der RAM
• enthält den Teil des Arbeitsspeichers, der wahrscheinlich als Nächstes benötigt wird
• Ist der benötigte Teil nicht im Cache („Cache Miss“), muss er aus dem RAM nachgeladen werden – dafür werden andere Teile überschrieben.

Warum funktioniert das so gut? Programme verhalten sich vorhersagbar (Lokalitätsprinzip):

• zeitlich: Was gerade benutzt wurde, wird bald wieder benutzt (z. B. Befehle in einer Schleife).
• räumlich: Was neben gerade benutzten Daten liegt, wird bald benutzt (z. B. das nächste Element einer Liste).

Welcher Eintrag muss gehen?

Wenn der Cache voll ist und ein neuer Block geladen werden muss, muss ein alter Eintrag weichen. Mögliche Lösch-Strategien:

• der älteste Eintrag (FIFO – First In, First Out)
• der Eintrag, auf den am längsten nicht zugegriffen wurde (LRU – Least Recently Used)
• der Eintrag, der am seltensten benutzt wurde (LFU – Least Frequently Used)
• ein zufällig gewählter Eintrag

Probiere die Strategien aus und vergleiche, wie viele Treffer sie erzielen. Ändere auch die Zugriffsfolge!

Die Cache-Hierarchie

Moderne Prozessoren haben mehrere Cache-Stufen:

Sucht der Prozessor Daten, schaut er zuerst im L1-Cache, dann im L2, dann im L3 – und erst dann im Arbeitsspeicher.

Register – Speicher direkt im Rechenwerk

Noch schneller als der Cache sind die Register: einzelne Speicherzellen direkt im Rechen- und Steuerwerk. Ein Prozessor hat nur wenige Dutzend davon, aber auf sie kann er ohne jede Wartezeit zugreifen.

• Datenregister enthalten die Operanden und Ergebnisse der aktuellen Berechnung (bei Johnny: der Akkumulator).
• Adressregister enthalten die Adresse, die gerade auf den Adressbus gelegt wird.
• Der Befehlszähler enthält die Adresse des nächsten Befehls.
• Das Befehlsregister enthält den aktuellen Befehl.