CacheZugriffe

Cachezugriffe bezeichnen Zugriffsvorgänge auf Cache-Speicher innerhalb der Speicherhierarchie eines Computers. Caches sind kleine, schnelle Speicherbereiche, die auf Kosten der Größe die Zugriffszeit verringern, indem sie häufig genutzte Daten näher zur zentralen Verarbeitung halten. Durch Ausnutzung räumlicher und zeitlicher Lokalität erhöhen sie die Wahrscheinlichkeit, dass eine angeforderte Information bereits im Cache liegt (Cachehit).

In typischen Prozessoren gibt es mehrere Cacheebenen, etwa L1, L2 und L3, oft getrennte Instruktions- und Datencaches. Jeder Cache besteht aus Cachezeilen (Lines) mit Tags, Gültigkeitsbits und einem Index. Die Größe variiert; L1-Caches sind klein und sehr schnell, L3 größer, aber langsamer.

Hat der Zugriff kein passendes Cache-Item, spricht man von einem Cache-Miss. Miss-Typen umfassen obligatorische (First reference), Kapazitäts- und Konflikt-Misses. Die Reihenfolge der Ersetzung von nicht mehr genutzten Zeilen wird durch Replacement-Policies wie LRU, FIFO oder Zufall geregelt. Schreibstrategien umfassen Write-Back vs Write-Through sowie Write-Allocate vs No-Write-Allocate.

In Mehrkern- und Mehrprozessor-Systemen muss Kohärenz zwischen Caches sichergestellt werden. Protokolle wie MESI sorgen dafür, dass Änderungen an einer Kopie nicht inkonsistent bleiben, durch Snooping (Broadcast) oder Verzeichnisansätze.

Für Softwareentwicklung bedeutet das cachefreundliches Programmieren: schrittweise Zugriffsmuster, geeignete Blockgrößen, Datenstrukturen mit guter Lokalität, Schleifenanordnungen und ggf. Prefetching. Das Ziel ist möglichst viele Zugriffe als Cachehit zu realisieren, um Latenz und Bandbreite zum Hauptspeicher nicht zu verschlingen.

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