キャッシュメモリ

キャッシュメモリ Jun 21th, 2020 Satoru Taekcuhi Twitter: satoru_takeuchi

もくじ • キャッシュメモリとは • 具体例( AMD Ryzen 5 PRO 2400GE)
• Linuxからキャッシュメモリの情報を見る • まとめ

背景 • コンピュータは以下の処理を繰り返す装置 1. メモリからCPUのレジスタにデータをとってくる 2. レジスタ上で計算する 3. 計算結果をメモリに書き戻す •
メモリアクセスはレジスタ上の計算に比べてはるかに遅い 1. レジスタ上の計算: 数ナノ秒オーダー 2. メモリアクセス: 100ナノ秒オーダー • 問題: CPUの計算速度をいくら上げてもメモリアクセスがボトルネックになってシステム全体の性能が上がらない

キャッシュメモリの登場 • レジスタとメモリの中間に存在する記憶領域 ◦ 一般的にCPU内に存在する教科書でよく見る記憶階層図メモリキャッシュメモリレジスタハードウェアの概念図
高速アクセス、小容量、高価低速アクセス、大容量、安価 CPU メモリレジスタキャッシュメモリ

キャッシュメモリ存在時のメモリリード(1目回) • CPU メモリレジスタキャッシュメモリメモリアドレス100のデータを要求アドレス100のデータ

キャッシュメモリ存在時のメモリリード(1目回) • CPU メモリレジスタキャッシュメモリキャッシュメモリにデータを転送アドレス100のデータアドレス100のデータ

キャッシュメモリ存在時のメモリリード(1目回) • CPU メモリレジスタキャッシュメモリアドレス100のデータレジスタにデータを転送アドレス100のデータ
アドレス100のデータ

キャッシュメモリ存在時のメモリリード(2目回) • CPU メモリレジスタキャッシュメモリアドレス100のデータメモリアドレス100のデータを要求アドレス100のデータ

キャッシュメモリ存在時のメモリリード(2目回) • CPU メモリレジスタキャッシュメモリアドレス100のデータレジスタにデータを転送これで処理は終了
アドレス100のデータアドレス100のデータメモリアクセスはしなくて済む

キャッシュメモリ存在時のメモリライト • CPU メモリレジスタキャッシュメモリアドレス100のデータレジスタ上のデータを書き換えてメモリアドレス100に
書き込みアドレス100のデータアドレス100のデータ

キャッシュメモリ存在時のメモリライト • CPU メモリレジスタキャッシュメモリアドレス100のデータレジスタ上のデータを書き換えてメモリアドレス100に
書き込みアドレス100のデータアドレス100のデータこの後のリードはキャッシュメモリ上のデータを見ればいい

キャッシュメモリ上データのメモリ上への反映 • CPU メモリレジスタキャッシュメモリアドレス100のデータアドレス100のデータアドレス100のデータ二つの方法がある
• ライトバック ◦ プログラムからのデータアクセスとは非同期にバックグラウンドで反映 • ライトスルー ◦ キャッシュメモリへの書き込みと同時にメモリへの書き込み

キャッシュメモリあれこれ • データがすべてキャッシュメモリ上におさまっている限り、見かけ上のメモリアクセス速度はキャッシュメモリへのアクセス速度に等しくなる • キャッシュの様々な特徴 ◦ メモリへのデータ反映方法 : ライトスルー
or ライトバック ◦ 階層構造: L1キャッシュ(一番高速)、L2キャッシュ(二番目に高速)、... ◦ キャッシュの種類: 命令用キャッシュとデータ用キャッシュに分かれることもある ◦ CPU内のコア間でのキャッシュメモリ共有の有無 • 上記特徴はCPUの種類によって異なる

もくじ • キャッシュメモリとは • 具体例(AMD Ryzen 5 PRO 2400GE) •
Linuxからキャッシュメモリの情報を見る • まとめ

カタログスペック • 論理CPU ◦ 4コア8スレッド • キャッシュ ◦ L1キャッシュ合計: 384KB
◦ L2キャッシュ合計: 2MB ◦ L3キャッシュ合計: 4MB • 公式サイト ◦ https://www.amd.com/ja/products/apu/amd-ryzen-5-pro-2400ge

実例: AMD Ryzen 5 PRO 2400GE CPU コア0 コア2 コア3
コア1 スレッド0 スレッド1 スレッド2 スレッド3 スレッド4 スレッド5 スレッド6 スレッド7 L1キャッシュ L2キャッシュ L1キャッシュ L2キャッシュ L1キャッシュ L2キャッシュ L1キャッシュ L2キャッシュ L3キャッシュ

もくじキャッシュメモリとは具体例(AMD Ryzen 5 PRO 2400GE) Linuxからキャッシュメモリの情報を見るまとめ

演習 • sysfsを介してLinuxカーネルからキャッシュメモリの情報を得る • /sys/devices/system/cpu/cpu<論理CPU番号>/cache以下が該当 ◦ おもしろそうなファイル : level, type,
size, shared_cpu_{list,map}

答え合わせ • 論理CPU ◦ 4コア8スレッド • キャッシュ ◦ L1キャッシュ合計: 384KB:
(L1dキャッシュ32KB + L1iキャッシュ64KB) * 4コア ◦ L2キャッシュ合計: 2MB: 512KB * 4コア ◦ L3キャッシュ合計: 4MB: 全コアで共有

もくじ • キャッシュメモリとは • 具体例(AMD Ryzen 5 PRO 2400GE) •
Linuxからキャッシュメモリの情報を見る • まとめ

まとめ • レジスタ上の計算速度に比べてメモリアクセス速度は遅い • その速度差を吸収するのがキャッシュメモリ • CPUによってキャッシュメモリ構成は様々 • Linuxのsysfsからキャッシュメモリの情報を得られる

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Satoru Takeuchi
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