[Computer Structure] 캐시 메모리

박시은·2023년 12월 2일

목록 보기

12/17

🥲질문할것

시험 끝나고 교수님한테 꼭!! 질문드리기

"세트- 연관 사상"에서 V(캐시의 세트)는 어떻게 판단하는가 ①번? ②번?
아래 그림 "세트 - 연관 사상" 에서 V=4가 맞는지와,
V =4 로 계산했을 때 i = 24 mod (4)가 나오는데, 이는 어디에 해당하는지

캐시란?
- 두 구성요소 간에 엑세스 시간이나 전송 속도의 차이가 큰 경우 성능을 향상하기 위해 설치하는 기억 장치
- 캐싱 : 빠른 저장장치에 정보를 복사하는 일을 말한다.
- 주저장장치는 보조저장장치의 캐시로 볼 수 있다. (주기억장치에 있는 값들을 갖다 놓기 때문)
  - 《 주기억장치와 보조기억장치 》 에 대해 자세히 알고싶다면 클릭하기
특징
- 주기억장치보다 액세스 속도 높음
- 가격 및 제한된 공간 때문에 용량 적음
캐시 설계시 고려 사항
- 캐시 적중 (Cache hit)
  - CPU가 원하는 데이터가 이미 캐쉬에 있는 상태
- 캐시 미스 (Cache miss)
  - CPU가 원하는 데이터가 캐쉬에 없어 메인 메모리에 다시 갔다가 와야하는 상태
- 캐시 적중률(Hit Ratio)
  - 캐시에 적중도(H)
  - H = 캐시 적중 횟수/전체 기억장치 액세스 횟수
- 캐시 미스율 (Miss Ratio)
  - 미스율 = 1 - H
- 평균 기억장치 액세스 시간 ( Ta )
  - Tc는 캐시 액세스 시간, Tm은 주기억 장치 액세스 시간
- 예제 ①
  - H (캐시 적중도)가 높아지면 평균 기억장치 액세스 시간은 감소 (캐시 액세스 시간에 접근)
  - 캐시 적중률은 프로그램과 데이터의 지역성(Locality)에 크게 의존 (지역성 높을시 좋아짐)

개념
- 어떤 메인메모리 블록이 어느 캐시 슬롯에 들어갈지 결정하는 방법을 사상이라고 한다.
- 즉, 메인메모리에 있는 값을 어떤 매핑 방법에 의거해 캐시에 올릴건지를 결정하는 것을 말한다.
- 메인메모리와 캐시메모리가 어떻게 매핑(사상)될까? 알아보자.

개념
- 메모리 블록들이 정해진 하나의 캐시 블록에만 매핑
- 예시
  - 메모리 공간이 32개(0000011111)이고, 캐시 메모리 공간은 8개(000111)인 상황이라면,
    00000, 01000, 10000, 11000인 메모리 주소는 다른 슬롯들이 비어있어도 무조건 000 캐시 메모리 주소에 맵핑
  - 이때, 000이 '인덱스 필드', 인덱스 제외한 앞의 나머지(00, 01, 10, 11)를 '태그 필드'
문제
- 10110이 적재될 수 있는 캐시 슬롯을 찾아보자
  - 공식 : i = mod m (i = 주기억장치 블록(슬롯) 번호, m = 캐시 슬롯의 전체 수)
  - i = 10110(2) mod 8
  - 즉, 22 mod 8 => 6번째 슬롯!
장점
- 구현이 단순하고, 접근 속도가 빠르다.
- 구현 비용이 적게 든다.
  => 슬롯의 위치가 정해져 있기 때문
단점⭐
- 주기억장치 블록이 적재 가능한 캐시 슬롯이 한개뿐이기 때문에, 이미 적재된 슬롯이 있으면 Swap-Out이 된다. (메모리 빼야함)

개념
- 비어있는 캐시 메모리가 있으면, 마음대로 주소를 저장하는 방식이다.
- 직접매핑에서는 인덱스가 필요했지만, 완전 연관 사상에서는 빈자리 찾아가면 끝!
- 메모리 블록을 어떤 캐시 블록에도 사상 가능 (슬롯 필드 존재 x)
장점
- 슬롯 선택 자유로움; 지역성이 높을 때 적중률 극대화
단점
- 캐시 슬롯들의 태그를 동시에 검사하기 위해 매우 복잡하고 비용이 높은 회로가 필요

개념
- 직접 사상 + 완전 연관 사상으로 특정 행을 지정(set 할당)하고, 그 행안의 어떤 열이든 비어있을 때 사상(비어있는 slot 할당)
- 즉, 직접 사상 + 완전 사상의 혼합 방식이다!
- 블록 그룹이 캐시 세트 공유(묶음): 캐시는 v개의 세트로 구성, 각 세트는 k개의 슬롯으로 구성
공식
- 전체 주기억장치 블록수 : m,
- 주기억장치 블록이 적재될 수 있는 캐시 세트 번호 : i,
- 주기억장치 블록 번호 : j
- m = v x k, i = j mod (v)