Como o Cache de Memória Funciona

RAM Dinâmica vs. RAM Estática

Existem dois tipos de memória RAM: dinâmica (DRAM) e estática (SRAM). A memória RAM usada no micro é dinâmica. Neste tipo de memória cada bit de dados é armazenado dentro do chip de memória em um pequeno capacitor. Capacitores são componentes muito pequenos, o que significa que milhões deles podem ser fabricados em uma pequena área – isto é chamado de “alta densidade”. Por outro lado, os capacitores perdem suas cargas elétricas depois de um determinado tempo e por isso as memórias dinâmicas precisam ser recarregadas, processo esse conhecido como refresh, que deve ser feito periodicamente. Durante os períodos de recarga os dados não podem ser lidos os escritos. A memória dinâmica também é muito mais barata do que a memória estática e consome muito menos. Mas, como vimos, os dados na memória RAM dinâmica não estão disponíveis imediatamente e ela não trabalha na mesma velocidade do processador.

A memória estática, por outro lado, pode trabalhar na mesma velocidade do processador, porque cada bit de dado é armazenado em um circuito chamado flip-flop, que também pode fornecer dados com latência zero ou com uma latência muito pequena, porque os flip-flops não necessitam de períodos de refresh. O problema é que os flip-flops necessitam de vários transistores para serem construídos, ou seja, eles são muito maiores do que um único capacitor. Isto significa que na mesma área onde em uma memória estática existe apenas um flip-flop, na memória dinâmica existem centenas de capacitores. Por essa razão as memórias estáticas oferecem uma menor densidade – isto é, os chips têm capacidades menores. Os outros dois problemas com a memória estática são que ela é mais cara e consome mais energia – e consequentemente esquenta mais.

Na tabela abaixo nós resumimos as principais diferenças entre a RAM dinâmica (DRAM) e a RAM estática (SRAM).

Apesar de a RAM estática ser mais rápida do que a RAM dinâmica, suas desvantagens impedem que elas sejam usadas como memória RAM principal da máquina.

A solução encontrada para diminuir o impacto de se usar uma memória RAM mais lenta do que o processador foi usar uma pequena quantidade de memória estática entre o processador e a memória RAM. Esta técnica é chamada cache de memória, e atualmente esta pequena quantidade de memória está localizada dentro do processador.

O cache de memória copia os dados acessados recentemente da memória RAM para a memória estática e tenta adivinhar qual dado o processador poderá precisar, carregando-o para a memória estática antes que o processador precise dele. O objetivo é fazer com que o processador acesse o cache de memória em vez de acessar a memória RAM diretamente, já que ele pega dados do cache de memória imediatamente ou com uma latência muito pequena, enquanto que ele tem que esperar quando acessa dados localizados na memória RAM. Quanto mais o processador acessar o cache de memória em vez da memória RAM, mais rápido o micro será. Nós explicaremos exatamente como o cache de memória funciona mais adiante.

A propósito, aqui estamos usando os termos “dados” e “instruções” como sinônimos, já que o que está armazenado em cada endereço de memória não faz qualquer diferença para a memória.