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CACHE: Las memorias caché son memorias destinadas a
solucionar el problema de los embotellamientos de datos.
Estos embotellamientos están provocados porque los nuevos
procesadores procesan la información más rápido de lo que los
datos se transfieren a la memoria, lo que provoca un
embotellamiento en la salida de los datos hacia la memoria,
que ralentiza al procesador.

El procesador deja los datos en esta memoria que es
extremadamente rápida, y otro chip especializado se encarga
de coger los datos de esta memoria y ponerlos en el lugar que
les corresponde dentro de la RAM.

Su velocidad suele ser de 25 ns.

Consiste en una memoria de acceso muy rápido, intercalado
entre el procesador y la memoria propiamente dicha.  En la
memoria caché se almacenan datos con gran probabilidad de ser
leídos.

Se las puede considerar como un veloz buffer entre cualquier
medio de almacenamiento de datos y el destino de los datos,
ya sea el procesador u otro dispositivo.
Esto acorta el tiempo de lectura de los datos del dispositivo
más rápido.

Este tipo de cachés deben disponer de un software que les
permita decidir cuales son los datos que debe contener, de
forma que cuando le sean pedidos obtenga una gran
probabilidad de acertar, ahorrando el tiempo de leerlos.

El contenido de la caché debe ser capaz de adaptarse a los
datos que hay en el dispositivo al que sirve de caché, de
forma que si estos datos cambian la caché no proporcione los
datos antiguos, sino los nuevos.
Por ejemplo imaginémonos dos programas trabajando al mismo
tiempo en un ordenador, uno lee un fichero, la caché carga
los datos ante la posibilidad de que puedan ser utilizados,
el primer programa acaba de procesar los datos del fichero,
los actualiza y los graba, el segundo programa accede al
mismo programa, la caché se da cuenta de que tiene los datos
y se los manda, ahorrándose así el tiempo de leerlos, pero le
ha mandado los datos antes de que estuviesen procesados por
el primer programa, lo que es un gran fallo.

La forma más antigua de caché en el PC es el caché de disco,
por el cual un área de RAM se usa para colocar los datos
extraídos del disco duro.  Después se buscará en el caché
para ver si los datos están en el, y en caso contrario
copiaría toda la pista que contiene el nuevo sector dentro
del caché.
Cuando este caché está lleno un algoritmo se encarga de
elegir que pistas eliminar.  Este algoritmo suelen basarse en
eliminar la pista a la que hacía más tiempo que no se accedía
o eliminar aquella a la que se accedía menos a menudo.
Los programas software de caché de disco suelen utilizar
estos sistemas.

Hay controladores de disco que ya llevan implementado un
sistema de caché de varios megas en la propia controladora,
con lo que al ser procesado por el hardware de la
controladora se gana tiempo, y al tener su propia memoria se
ahorra RAM principal.
Pueden basarse en el antiguo sistema de leer una pista
completa cuando se les solicita un sector, y así si después
se le siguen solicitando los siguientes los tendrá en
memoria, eliminando el tiempo necesario para leerlos, o
alguno de las nuevas rutinas inteligentes de prebúsqueda, que
recuperan datos del disco duro incluso antes de que le sean
pedidos.

Para la escritura también se puede usar una caché que recoja
los datos a escribir, dejando al procesador que continúe
trabajando mientras la controladora los escribe.  En estos
sistemas hay que tener la precaución de dejar suficiente
tiempo a la controladora como para escribir los datos antes
de resetear el sistema o de apagarlo, pues se podrían perder
los datos.

La llegada de los ordenadores 386 supuso la imposibilidad de
que las memorias pudiesen hacer frente a la velocidad del
procesador, así que el procesador tenía que esperar hasta que
un datos quedase completamente almacenado en la RAM para
seguir trabajando, lo que lo hacía perder gran cantidad de
tiempo.

Para solucionar este problemas se crearon unas áreas de
almacenamiento caché entre el procesador y la memoria RAM,
que almacenaba los datos que el procesador necesitaba más a
menudo, y se encargaba de recogerlos para su escritura.

Así cuando se pide un dato, es necesario comprobar si está en
el caché o ha de ser leído de la RAM, evitando leer datos que
no han sido actualizados y aumentando la velocidad de
lectura.  Para realizar esta comprobación hay tres sistemas,
el asociativo, el de mapeado directo y el de RAM asociativa
de grupo.

     -Caché asociativo: la RAM del caché mantiene los
      contenidos de las últimas localizaciones N de la
      memoria a las que se ha accedido, donde N es el tamaño
      de caché.
      Cualquier localización del caché puede ser asociada a
      la memoria principal, y el controlador del caché tiene
      que buscar cada localización del caché para descubrir
      aciertos o pérdidas.

     -Caché de mapeado directo: para establecer un acierto o
      una pérdida del caché, el controlador sólo necesita
      comparar el resto de la dirección con los bits
      superiores de la dirección de la fuente de los datos en
      esa localización de caché.
      Son los más utilizados, ya que son rápidos y baratos.

     -Caché de RAM asociativa de grupo: ahorra gran parte del
      tiempo de búsqueda del caché mediante la división de
      las localizaciones en dos o cuatro secciones.  Cada una
      de estas se asocia a un juego especial de
      localizaciones en la memoria principal, de modo que,
      dada una dirección de la memoria principal, sólo una
      fracción del caché necesita ser buscada.


El principal problema de estas memorias caché son los accesos
a memoria mediante ▒DMA▓, que evitan la caché, accediendo
directamente a la memoria, para controlar esto es necesaria
la utilización de hardware de intromisión.
Este hardware detecta el comienzo de la transferencia DMA y
el controlador de caché determina lo que sucederá a
continuación.  Cuando el DMA accede a la memoria, se marcan
los datos del caché pertenecientes a las direcciones a las
que se está accediendo como inválidas, de forma que no sean
reescritas por el controlador de la caché.

Los diseños del caché de la RAM se pueden mejorar cacheando
los datos transferidos por DMA, de la misma manera que se
cachea la memoria principal.  Pero la mayoría de los cachés
de la RAM de los PCs no son tan sofisticados.

El procesador ▒486▓ (y también el ▒PENTIUM▓), tiene unas caché
interna de 8 Kbytes para instrucciones y otros 8 para datos.

Otra caché que es muy utilizada y que muchos usuarios
desconocen es la Shadow RAM, que consiste en copiar la ▒BIOS▓
del sistema en la memoria RAM.  De esta forma cuando se usan
los procedimientos de la BIOS no es necesario acceder a las
ROMs donde se encuentra instalada, que son más lentas.
A este proceso se le llama también "sombreado".

Así, a modo de resumen, se puede decir que la caché será más
rápida en los discos cuando se acceda a los datos de forma
secuencial (datos contiguos), mientras que el el caso de la
RAM los accesos serán más rápidos mientras no se usen los
canales de acceso directo a memoria (DMA).

Para saber más lea la lección primera.