Что означает кеш в процессоре. Что такое кэш, зачем он нужен и как работает. Когда полезен большой объем кэша

При выполнении различных задач в процессор вашего компьютера поступают необходимые блоки информации из оперативной памяти. Обработав их ЦП записывает полученные результаты вычислений в память и получает на обработку последующие блоки данных. Так продолжается до тех пор, пока поставленная задача не будет выполнена.

Вышеупомянутые процессы производятся на очень большой скорости. Однако скорость даже самой быстрой оперативной памяти значительно меньше скорости любого слабого процессора. Каждое действие, будь то запись на неё информации или считывание с неё занимают много времени. Скорость работы оперативной памяти в десятки раз ниже скорости процессора.

Не смотря на такую разницу в скорости обработки информации, процессор ПК не простаивает без дела и не ожидает, когда ОЗУ выдаст и примет данные. Процессор всегда работает и всё благодаря присутствию в нем кэш памяти.

Кэш — особый вид оперативной памяти. Процессор использует память кэша для хранения тех копий информации из основной оперативной памяти компьютера, вероятность обращения к которым в ближайшее время очень велика.

По сути кэш-память выполняет роль быстродействующего буфера памяти хранящего информацию, которая может потребоваться процессору. Таким образом процессор получает необходимые данные в десятки раз быстрее, чем при считывании их из оперативной памяти.

Основным отличием кэш памяти от обычного буфера являются встроенные логические функции. В буфере хранятся случайные данные, которые как правило обрабатываются по схеме » получен первым, выдан первым» либо » получен первым, выдан последним». В кэш памяти содержатся данные, вероятность обращения к которым в ближайшее время очень велика. Поэтому благодаря «умному кэшу» процессор может работать с полной скоростью и не ожидать данные, извлекаемые из более медленной оперативной памяти.

Основные типы и уровни кэш-памяти L1 L2 L3

Кэш память выполнена в виде микросхем статической оперативной памяти (SRAM), которые устанавливаются на системной плате либо встроены в процессор. В сравнении с другими видами памяти, статическая память способна работать на очень больших скоростях.

Скорость кэша зависит от объема конкретной микросхемы, Чем больше объем микросхемы, тем труднее добиться высокой скорости для её работы. Учитывая данную особенность, при изготовлении кэш память процессора выполняют в виде нескольких небольших блоков, именуемых уровнями. Самой распространенной на сегодняшний день считается трехуровневая система кеша L1,L2, L3:

Кэш память первого уровня L1 — самая маленькая по объему (всего несколько десятков килобайт), но самая быстрая по скорости и наиболее важная. Она содержит данные наиболее часто используемые процессором и работает без задержек. Обычно количество микросхем памяти уровня L1 равно количеству ядер процессора, при этом каждое ядро получает доступ только к своей микросхеме L1.

Кэш память уровня L2 по скорости уступает памяти L1, но выигрывает в объеме, который измеряется уже в нескольких сотнях килобайт. Она предназначена для временного хранения важной информации, вероятность обращения к которой ниже, чем у информации хранящейся в кэше L1.

Третий уровень кэш памяти L3 — имеет самый большой объем из трех уровней (может достигать десятков мегабайт), но и обладает самой медленной скоростью, которая всё же значительно выше скорости оперативной памяти. Кэш память L3 служит общей для всех ядер процессора. Уровень памяти L3 предназначен для временного хранения тех важных данных, вероятность обращения к которым чуть ниже, чем у информации которая хранится в первых двух уровнях L1, L2. Она также обеспечивает взаимодействие ядер процессора между собой.

Некоторые модели процессоров выполнены с двумя уровнями кэш памяти, в которых L2 совмещает все функции L2 и L3.

Когда полезен большой объем кэша.

Значительный эффект от большого объема кэша вы ощутите при использовании программ архиваторов, в 3D играх, во время обработки и кодирования видео. В относительно «легких» программах и приложениях разница практически не заметна (офисные программы, плееры и т.п).

Кэш — память (кеш , cash , буфер — eng.) — применяется в цифровых устройствах, как высокоскоростной буфер обмена. Кэш память можно встретить на таких устройствах компьютера как , процессоры, сетевые карты, приводы компакт дисков и многих других.

Принцип работы и архитектура кэша могут сильно отличаться.

К примеру, кэш может служить как обычный буфер обмена . Устройство обрабатывает данные и передаёт их в высокоскоростной буфер, где контроллёр передаёт данные на интерфейс. Предназначен такой кэш для предотвращения ошибок, аппаратной проверки данных на целостность, либо для кодировки сигнала от устройства в понятный сигнал для интерфейса, без задержек. Такая система применяется например в CD/DVD приводах компакт дисков.

В другом случае, кэш может служить для хранения часто используемого кода и тем самым ускорения обработки данных. То есть, устройству не нужно снова вычислять или искать данные, что заняло бы гораздо больше времени, чем чтение их из кэш-а. В данном случае очень большую роль играет размер и скорость кэш-а.

Такая архитектура чаще всего встречается на жёстких дисках, и центральных процессорах (CPU ).

При работе устройств, в кэш могут загружаться специальные прошивки или программы диспетчеры, которые работали бы медленней с ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

Большинство современных устройство, используют смешанный тип кэша , который может служить как буфером обмена, как и для хранения часто используемого кода.

Существует несколько очень важных функций, реализуемых для кэша процессоров и видео чипов.

Объединение исполнительных блоков . В центральных процессорах и видео процессорах часто используется быстрый общий кэш между ядрами. Соответственно, если одно ядро обработало информацию и она находится в кэше, а поступает команда на такую же операцию, либо на работу с этими данными, то данные не будут снова обрабатываться процессором, а будут взяты из кэша для дальнейшей обработки. Ядро будет разгружено для обработки других данных. Это значительно увеличивает производительность в однотипных, но сложных вычислениях, особенно если кэш имеет большой объём и скорость.

Общий кэш , также позволяет ядрам работать с ним напрямую, минуя медленную .

Кэш для инструкций. Существует либо общий очень быстрый кэш первого уровня для инструкций и других операций, либо специально выделенный под них. Чем больше в процессоре заложенных инструкций, тем больший кэш для инструкций ему требуется. Это уменьшает задержки памяти и позволяет блоку инструкций функционировать практически независимо.При его заполнении, блок инструкций начинает периодически простаивать, что замедляет скорость вычисления.

Другие функции и особенности .

Примечательно, что в CPU (центральных процессорах), применяется аппаратная коррекция ошибок (ECC ), потому как небольшая ошибочка в кэше, может привести к одной сплошной ошибке при дальнейшей обработке этих данных.

В CPU и GPU существует иерархия кэш памяти , которая позволяет разделять данные для отдельных ядер и общие. Хотя почти все данные из кэша второго уровня, всё равно копируются в третий, общий уровень, но не всегда. Первый уровень кеша — самый быстрый, а каждый последующий всё медленней, но больше по размеру.

Для процессоров, нормальным считается три и менее уровней кэша. Это позволяет добиться сбалансированности между скоростью, размером кэша и тепловыделением. В видеопроцессорах сложно встретить более двух уровней кэша.

Размер кэша, влияние на производительность и другие характеристики .

Естественно, чем больше кэш , тем больше данных он может хранить и обрабатывать, но тут есть серьёзная проблема.

Большой кеш — это большой бюджет . В серверных процессорах (CPU ), кэш может использовать до 80% транзисторного бюджета. Во первых, это сказывается на конечной стоимости, а во вторых увеличивается энергопотребление и тепловыделение, которое не сопоставимо с увеличенной на несколько процентов производительностью.

Основная память компьютера – это устройство с очень низкой скоростью обмена данных. И если процессору необходимы какие-то данные для работы, то он посылает запрос через шину памяти, и производится поиск этих нужных данных.

Только потом они отправляются непосредственно в процессор. Все это занимает очень много времени по компьютерным меркам. А вот, что если бы данные хранились где-то рядом с процессором?

Как раз кэш-память работает на основе этой идеи. И для того чтобы понять концепцию, для наглядности возьмем пример работы обычной библиотеки.

Назначение кеш памяти

Что же такое кэш-память или кэш (по англ. cache memory, cache):

В широком смысле, подразумевается любая память с быстрым доступом , где хранится часть данных с другого носителя с более медленным доступом;

В узком смысле - это сверхоперативный вид памяти, который используется для повышения скорости доступа микропроцессора к оперативной памяти.

Предположим, что в библиотеке работает один библиотекарь. Если человек приходит и просит первый том Пушкина, то библиотекарь идет к далекой книжной полке, находит книгу и приносит ее посетителю.

Когда этот человек прочитал книгу, то она обратно возвращается на полку. И если уже любой другой человек приходит и просит эту же самую книгу, цикл повторяется снова.

Вот пример того, как библиотека, то есть система работает без кэш-памяти .

Зачем нужна кэш-память?

А теперь представьте, что тот же самый библиотекарь использует ящик стола как кэш-память. Процедура выдачи книги остается той же, когда книгу спрашивают первый раз.

Но, когда книга вернулась, библиотекарь не возвращает ее на полку, а кладет в ящик стола (этакая местная оперативная кэш-память ).

Теперь, когда следующий человек приходит и просит эту книгу, библиотекарю уже нужно просто открыть данный ящик. Аналогичным образом кэш-память хранит элементы данных, к которым часто обращается процессор.

Таким образом, каждый раз, запрашиваются эти данные, и процессор получает их из кэша, минуя долгий путь в основную медленную память.

Хранит ли кэш только часто используемые данные? Как функционирует и работает кэш оперативной памяти ?

Кэш – это такая очень умная часть памяти, которая автоматически осуществляет поиск любых данных, которые могут понадобиться в ближайшем будущем. Опять же, вернемся за примером к нашей библиотеке.

Когда человек просит первый томик Пушкина, то библиотекарь приносит также второй том:-) И когда человек прочитает первую книгу, аероятнее всего, что он может попросить второй томик. А когда он это сделает, ходит далеко не надо... тот уже будет лежать в ящике.

Аналогичным образом, когда кэш-память извлекает запрошенные данные из памяти, она также извлекает данные, которые находятся по адресам, близким к запрошенным.

Эти смежные блоки данных, которые и передаются в кэш, называются кэш-линиями. Подробнее о понятии кэш-памяти можно посмотреть в этом видео:

Уровни кэш памяти

Большинство жестких дисков используют один уровень кэш-памяти . Но кэш имеет два уровня, где уровень L1 меньше и быстрее, а уровень L2, несколько медленнее (но все равно быстрее, чем основная внутренняя память ).

Лучшая бесплатная программа HDDScan для проверки жестких дисков

И снова возвратимся за примером к нашей библиотеке, на примере ее работы становится понятна как работает внешняя память компьютера .

Рассмотрим ящик библиотекаря в качестве кэша L1. Когда спрос на книги высок, и в ящике уже довольно много книг (нет места складывать) и вероятность того, что там найдется нужная, снижается.

Память L2 кэш

Здесь и появляется неодходимость L2. Представим L2 как книжный шкаф возле стола библиотекаря. Когда маленький ящик стола заполнен, библиотекарь начинает ставить книги в этот шкаф. И теперь, если книга не найдена в ящике сразу, надо взять ее из шкафа, не отходя далеко.

Аналогичным образом, когда кэш L1 заполнен, данные сохраняются в L2. Процессор в первую очередь ищет данные в L1, если они не будут найдены, то он обратится уже к L2. Если там тоже данные не найдены в L2, то идет обращение к основной памяти.

Двухуровневый кэш процессора

Кэш двух уровней у процессора – хорошая идея? Безусловно, да.

Возвращаясь к нашей упомянутой библиотеке. Если человек просит дать ему книгу, которая не хранится ни в ящике, ни в книжном шкафу, то библиотекарь тратит много времени впустую, осуществляя поиск сначала в ящике, потом в шкафу и только потом получает книгу с полки.

Когда же данные не найдены ни в первом, ни во втором уровне кэша, только тогда посылается запрос в основную память. На это тратится много процессорного времени.

Но если кэш-память работает так быстро, почему бы не выполнять его достаточно большой, чтобы хранить все данные оперативной памяти в нем?

Причина в том, что высокая скорость обходится очень дорого. Поэтому необходимо рациональное использование ресурсов кэш-памяти.

Хотя в последнее время, размеры кэш-памяти все увеличиваются, а цены растут не сильно, поэтому компьютеры работают все быстрее и быстрее.

То есть, наш библиотекарь обзаводится ящиком стола все большего размера, а шкафчик, стоящий рядом становится более вместительным! Еще в тему - двухядерные процессоры - правильно конфигурируем Windows.

Кэширование жесткого диска

Дисковая кэш-память (disk cache ), или кэш-память жестского диска - принцип построения кэш-памяти на основе динамического оперативного запоминающего устройства (типа DRAM), которое хранит наиболее часто используемые данные и команды, доступ к которым производится из внешней памяти.

Поэтому принцип кэширования жесткого диска во многом схож на принцип кэширования, используемый для оперативной динамической памяти, хоть способы доступа к диску и памяти значительно разнятся.

Так, время доступа к любой из ячеек оперативной памяти имеет примерно одинаковое для данного компьютера значение, а вот время доступа к различным блокам информации на жестком диске в общем случае будет различным.

1. Нужно затратить определенное время, чтобы магнитная головка записи-чтения подошла к искомой дорожке.

2. Поскольку при движении головка вибрирует, то необходимо немного времени, чтобы она успокоилась.

3. Наконец, требуется время, чтобы головка нашла искомый сектор.

Методы кэширования, используемые для оперативной памяти, применяются и для кэширования информации, хранимой на жестких дисках.

Кэш-память диска заполняется не только требуемым сектором, но и секторами, непосредственно следующими за ним, так как известно, что в большинстве случаев взаимосвязанные данные хранятся в соседних секторах.

Этот метод известен также как метод опережающего чтения (Read Ahead). При работе с многозадачными системами желательно иметь жесткий дик (винчестер) с мультисегментной кэш-памятью, которая для каждой из задач отводит свою часть кэша.

Кстати, если у вас недостаточно знаний о том, как лучше просканировать и протестировать жесткий диск , то обязательно посмотрите
подробный и бесплатный виде-оурок на эту тему:
как проверить винчестер на работоспособность

Кэш-память процессора

Кэш-памятью сейсас комплектуется большинство современных центральных процессоров. А первоначально кэш-память располагалась не на самом процессоре, а на материнской плате.

Кэш-память процессора на компьютере выполняет функции буфера между процессором и оперативной памятью.

Если кэш-память располагается между самим процессором и оперативной памятью, то при непосредственном обращении процессора к памяти сначала производится поиск необходимых данных в кэш-памяти .

Кэш-памяти процессора делятся на несколько видов:

Cache L1 - это «кэш-память первого уровня». Является промежуточной сверхоперативной памятью, находится на самом кристалле процессора, в ней размещаются наиболее часто используемые данные.

Работает эта память на частоте процессора. Время доступа к ней существенно меньше, чем к данным в основной оперативной памяти. Этим достигается ускорение работы процессора.

Cache L2 - «кэш-память второго уровня». Это промежуточная сверхоперативная память, которая имеет быстродействие ниже памяти первого уровня, но выше основной оперативной памяти. Ее размер обычно составляет от нескольких сотен килобайт до нескольких мегабайт.

Cache L3 - «кэш-память третьего уровня». Тоже промежуточная сверхоперативная память, имеющая быстродействие ниже памяти второго уровня, но выше основной оперативной памяти. Ее размер обычно составляет от одного до нескольких мегабайт.

Секреты и тонкости работы на компьютере

Что такое кэш память процессора

Выполняет примерно ту же функцию, что и оперативная память . Только кэш - это память встроенная в процессор . Кэш-память используется процессором для хранения информации. В ней буферизируются самые часто используемые данные, за счет чего, время очередного обращения к ним значительно сокращается. Если емкость оперативной памяти на новых компьютерах от 1 Гб, то кэш у них около 2-8 Мб. Как видите, разница в объеме памяти ощутимая. Но даже этого объема вполне хватает, чтобы обеспечить нормальное быстродействие всей системы. Сейчас распространены процессоры с двумя уровнями кэш-памяти: L1 (первый уровень) и L2 (второй). Кэш первого уровня намного меньше кэша второго уровня, он обычно около 128 Кб. Используется он для хранения инструкций. А вот второй уровень используется для хранения данных, поэтому он больше. Кэш второго уровня сейчас у большинства процессоров общий. Но не у всех, вот например у AMD Athlon 64 X 2 у каждого ядра по своему кэшу L2. Кампания AMD обещает в скором времени предоставить процессор AMD Phenom с четырьмя ядрами и тремя уровнями кэш-памяти.

Программный кэш

Кэш процессора часто путают с программным кэшем. Это совершенно разные вещи, хотя и выполняют схожую функцию. Кэш процессора это микросхема, встроенная в процессор , которая помогает ему быстро обрабатывать информацию. Программный кэш - это папка или какой-нибудь файл на жестком диске, где какая -то программа хранит нужную ей информацию. Рассмотрим на примере: Вы загрузили мой сайт, шапка сайта (картинка, находящаяся в самом верху) и остальные рисунки сохранились кэше вашего браузера. Если вы вернетесь сюда, например, завтра, то картинки уже будут грузиться не из интернета, а из кэша вашего компьютера, что экономит ваши деньги. Если у вас браузер Opera, то папка с изображениями которые вы загружали находится по адресу.

Кэш процессора - специальная память внутри процессора для ускорения обращения к оперативной памяти. Иногда кэш процессора называют сверхоперативной памятью, потому что доступ к ней происходит за очень маленькое время. Обычно кэш в процессорах делают на основе классических триггеров - так называемой статической памяти (SRAM). Для примера, оперативная память построена на основе конденсаторов, которые время от времени подзаряжаются. Тригеры обеспечивают практически мгновенный доступ к себе, но у них есть два главных недостатка:

Уровни кэша процессора

В современных процессорах кэш делится на несколько уровней

Алгоритм работы кэш памяти

Алгоритмом работы кэша управляет специальный контроллер, расположенный в процессоре. Он может динамически менять свою схему работы, в зависимости от обстоятельств. Но общий алгоритм кэша таков:

Когда процессор делает запрос на чтение, контроллер кэша ищет значение в кэше и если оно найдено, отправляет его процессору. Если значение не найдено, то контроллер отправляет запрос дальше: или кэшу более низкого уровня, или в оперативную память. После чтения значения с более низкого уровня, кэш добавляет это значение себе и при следующем обращении - сразу отдаст его процессору.

Когда процессор делает запрос на запись в оперативную память, то контроллер кэша обновляет значение у себя и передает его дальше - на более низкие уровни. В конце концов значение оказывается в оперативной памяти. По такому алгоритму обычно работает кэш на запись. Можно конечно сохранять значение только к кэше, но тогда остальные компоненты (например, DMA - прямой доступ к памяти) при доступе к оперативной памяти рискуют получить устаревшее значение.

Частота работы кэш-памяти

Поскольку SRAM память модут работать на очень болших частотах, кэш-память процессора обычно работает на той же частоте, что и сам процессор. Это дополнительно увеличивает скорость работы с этим видом памяти.

Интеллектуальная кэш-память

Современные кэш-контроллеры умеют угадывать, к каким ячейкам памяти процессор скоро обратиться и заранее загружает из в кэш. Например, если процессор обратился к ячейке 42, затем к 43, то высока вероятность того, что третье обращение будет к ячейке 44. Поэтому контроллер заранее загружает значение ячейки 44 себе в сверхбыструю память.

Первый кэш

Некоторое подобие кэша было еще в процессоре 8086. В нем было 6 байт кэша команд. Небольшое количество, без больших интеллектуальных способностей, но он значительно повышал быстродействие системы. Но настоящий кэш стал использоваться с процессором 80386. В те времена для обращения к оперативной памяти нужно было 120 нс времени. Но рядом с процессором ставили специальную микросхему кэш-памяти и доступ к ней просходил в 12 раз быстрее, чем к оперативной памяти. Но эта память (SRAM) была достаточно дорогой и ставить микросхему кэш памяти большого объема было нерентабельно. Поэтому первые кэши процессора были ограничены объемом 64 килобайт и устанавливались они отдельно. Начиная с процесора 80486 кэш процессора стал оправдывать свое название, потому что устанавливался прямо в процессоре.

Место установки кэша

Как уже было сказано выше, в процессоре 80386 не было внутреннего кэша. Кэш устанавливался отдельной микросхемой на материнской плате. В компьютерах на базе процессора 80486 как к прежде на материнской плате размещался кэш, но это был второй уровень. Первый уровень кэша устанавливался прямо в процессоре . С течением времени и развитием технологии изготовления микросхем кэш процессора полностью переехал в процессор, как и контроллер оперативной памяти.

Кэш процессора является эффективным способом увеличить производительность процессора, за счет увеличения скорости работы с оперативной памятью .