Bộ nhớ đệm (Cache Memory) là gì? Tìm hiểu chi tiết

1. Bộ nhớ là gì? Phân loại và cấu tạo của bộ nhớ

Bộ nhớ máy tính lưu trữ mọi thông tin dưới dạng bit hoặc số không hoặc một. Do đó, thành phần cơ bản chính của bộ nhớ là một bit. Nhưng bộ nhớ thường được tổ chức theo byte.

Một byte bao gồm 8 bit. Do đó, một byte là thông tin tối thiểu mà các vi điều khiển có thể đọc và viết. Nói cách khác, mọi vị trí bộ nhớ đều có địa chỉ byte. Điều đó có nghĩa là, mỗi vị trí bộ nhớ bao gồm một byte và mỗi địa điểm có một địa chỉ duy nhất. Do đó, ký ức được tổ chức theo thứ tự của hàng trăm và hàng ngàn byte.

Không giống như máy tính để bàn, vi điều khiển có lượng bộ nhớ hạn chế thường trong khoảng hàng trăm kbyte đến Mbyte.

2. Các loại bộ nhớ được sử dụng trong vi điều khiển

Chủ yếu, vi điều khiển có hai loại bộ nhớ trên chip như:

• ROM – Read Only Memory
• RAM – Random Access Memory
• Bộ nhớ đệm của CPU được gọi là Cache

3. Bộ nhớ đệm (Cache Memory)

3.1 Cache memory là gì?

Bộ nhớ Cache là một bộ nhớ đặc biệt có tốc độ rất cao. Nó được sử dụng để tăng tốc và đồng bộ hóa với CPU tốc độ cao. Bộ nhớ đệm đắt hơn bộ nhớ chính hoặc bộ nhớ đĩa nhưng kinh tế hơn so với thanh ghi CPU. Bộ nhớ đệm là một loại bộ nhớ cực nhanh, hoạt động như một bộ đệm giữa RAM và CPU. Nó lưu giữ dữ liệu và hướng dẫn được yêu cầu thường xuyên để chúng có sẵn ngay lập tức cho CPU khi cần.

Bộ nhớ Cache được sử dụng để giảm thời gian trung bình để truy cập dữ liệu từ Bộ nhớ chính. Bộ nhớ đệm là một bộ nhớ nhỏ hơn và nhanh hơn, lưu trữ các bản sao dữ liệu từ các vị trí bộ nhớ chính được sử dụng thường xuyên. Có nhiều bộ đệm độc lập khác nhau trong một CPU, nơi lưu trữ các lệnh và dữ liệu.

3.2 Hiệu suất

Khi bộ xử lý cần đọc hoặc ghi một vị trí trong bộ nhớ chính, trước tiên nó sẽ kiểm tra mục nhập tương ứng trong bộ nhớ đệm.

• Nếu bộ xử lý nhận thấy rằng vị trí bộ nhớ nằm trong bộ nhớ cache, thì một lần truy cập bộ nhớ cache đã xảy ra và dữ liệu được đọc từ bộ nhớ cache
• Nếu bộ xử lý không tìm thấy vị trí bộ nhớ trong bộ nhớ cache, thì bộ nhớ cache đã xảy ra. Đối với lỗi bộ nhớ đệm, bộ đệm sẽ phân bổ mục nhập mới và sao chép dữ liệu từ bộ nhớ chính, sau đó yêu cầu được thực hiện từ nội dung của bộ đệm.

Hiệu suất của bộ nhớ đệm thường được đo bằng một đại lượng gọi là Tỷ lệ truy cập.

Các loại bộ nhớ cache:

• Bộ đệm chính – Bộ đệm chính luôn nằm trên chip xử lý. Bộ nhớ đệm này nhỏ và thời gian truy cập của nó có thể so sánh với thời gian truy cập của các thanh ghi bộ xử lý.
• Bộ đệm thứ cấp – Bộ đệm thứ cấp được đặt giữa bộ đệm chính và phần còn lại của bộ nhớ. Nó được gọi là bộ đệm cấp 2. Thông thường, bộ đệm cấp 2 cũng được đặt trên chip xử lý.

Vị trí của tham chiếu

Vì kích thước của bộ nhớ đệm nhỏ hơn so với bộ nhớ chính. Vì vậy, để kiểm tra phần nào của bộ nhớ chính nên được ưu tiên và tải trong bộ nhớ cache được quyết định dựa trên vị trí của tham chiếu.

Các loại tham chiếu:

• Vị trí không gian của tham chiếu: Điều này nói rằng có khả năng phần tử sẽ hiện diện ở vị trí gần với điểm tham chiếu và lần sau nếu được tìm kiếm lại thì ở gần điểm tham chiếu hơn.
• Vị trí thời gian của tham chiếu: Trong thuật toán ít được sử dụng gần đây nhất này sẽ được sử dụng. Bất cứ khi nào có lỗi trang xảy ra trong một từ sẽ không chỉ tải từ trong bộ nhớ chính mà lỗi trang hoàn chỉnh sẽ được tải vì quy tắc tham chiếu không gian nói rằng nếu bạn đang đề cập đến bất kỳ từ nào, từ tiếp theo sẽ được giới thiệu trong sổ đăng ký của nó, đó là lý do tại sao chúng tôi tải bảng trang hoàn chỉnh để khối hoàn chỉnh sẽ được tải.