Vad är delat minne?

Moderna datorer har mycket minne. Varje CPU har sin cache, och varje program som körs tilldelas sin del av system-RAM. Det finns många olika sätt att använda och tilldela detta minne. Delat minne är ett koncept som påverkar både CPU-cacher och användningen av system-RAM på olika sätt.

Delat minne i hårdvara

De flesta moderna processorer har tre cachenivåer, kallade L1, L2 och L3. L1 är den minsta och snabbaste cachen, medan L3 är den största och långsammaste. Men alla är snabbare än att komma åt huvudminnet, vilket gör träfffrekvensen avgörande för prestanda. Många faktorer gör L1-cachen snabbare än L3. Först och främst är L1-minnesceller fysiskt större. Det finns också färre av dem, och de är placerade mycket närmare CPU-kärnan, ofta inom den.

Att placera ett cacheblock inom tärningsområdet för en kärna kommer med extra komplexitet på flerkärniga processorer. Vid det här laget kan du välja att ha en cache i varje kärna eller utanför kärnorna, särskilt mellan dem. Var och en har sina fördelar och nackdelar.

Att placera en cache i en kärna minimerar åtkomstlatensen, men det betyder också att varje kärna behöver sin cache. Detta innebär att du kan sluta med duplicerade cache-rader i L1-cachen för olika kärnor, vilket minskar cacheutrymmeseffektiviteten. Detta kallas en lokal cache, och även om det är bra för åtkomsttid, är det mindre effektivt när det gäller cacheutrymmesanvändning och kräver extra overhead när det gäller cache-koherens.

En delad cache är en cache som är tillgänglig för flera eller alla kärnor i en flerkärnig CPU. En delad cache innebär att flera kärnor kan komma åt en instans av specifik data, vilket begränsar slöseri med utrymme på grund av dubbelarbete. Det betyder också att en kärna tillfälligt kan göra anspråk på mer än sin beskärda del av cacheutrymmet om den behöver det, medan de andra kärnorna inte gör det. Det kommer på bekostnad av ökad åtkomsttid.

Delade cacher i praktiken

Moderna processorer använder båda koncepten, där varje kärna har en lokal L1-cache. L3-cache tenderar att delas mellan många kärnor, men ibland inte alla. L2 varierar men kan vara lokalt eller delat beroende på den specifika CPU-genereringsarkitekturen.

Tips: För chiplet-CPUs som avancerade AMD Ryzen-modeller kan cacher delas mellan alla kärnor på en chiplet snarare än med alla kärnor i hela CPU:n. Det spelar ingen roll hur många kärnor en cache delas mellan; även om det bara är två är det fortfarande en delad cache, även om det kan vara värt att markera att det bara är delvis delat.

Obs: System-RAM kan också delas mellan flera fysiska processorer på ett enda moderkort eller mellan noder i ett multi-CPU-system.

Delat minne i programvara

I moderna datorer kan programvaran inte adressera fysiskt minne direkt. Istället tilldelas den ett virtuellt adresssegment, och datorn översätter dessa virtuella adresser till de fysiska adresserna efter behov. Detta hjälper till att isolera minnet för individuella processer, vilket är till hjälp för säkerheten.

I vissa fall kan det vara önskvärt att överföra data i minnet från en process till en annan. Det mest effektiva sättet att göra detta är att låta de två processerna dela minnesutrymme. På så sätt kan båda processerna läsa samma data och kommunicera med varandra. Detta hjälper också till att använda system-RAM effektivt eftersom data inte dupliceras.

Mjukvarudelat minne kommer vanligtvis att uppnås genom att behålla en fysisk kopia av data och kartlägga åtkomst till den via virtuellt minne för varje process som behöver åtkomst till den.

Slutsats

Delat minne är konceptet med att ha en del av minnet tillgänglig för flera saker. Detta kan implementeras i både hårdvara och mjukvara. CPU-cache kan delas mellan flera processorkärnor. Detta är särskilt fallet för högre nivåer av CPU-cache. Systemminnet kan också delas mellan olika fysiska CPU:er i ett enda större system.

I programvara kan delat minne tillåta IPC Inter-Process Communication. En process allokerar minne som delas med en eller flera specifika processer. Dessa andra processer kan sedan komma åt den minnesplatsen via virtuell minnesmapping. Delat minne hjälper till att säkerställa effektiv användning av minnesutrymme genom att undvika dataduplicering på ett begränsat utrymme.