Кэш-память или просто кэш, – это тип памяти, используемый для ускорения выполнения программ. Её можно рассматривать как расширение основной памяти компьютера RAM (Random Access Memory).
Кэш-память используется аппаратным обеспечением для хранения наиболее часто используемых данных, для увеличения скорости отклика компьютера и, следовательно, его производительности.
Чтобы понять, что такое кэш, мы должны объяснить, в чем разница между оперативной памятью и кэшем.
В чем разница между оперативкой и кэшем
Оперативная память (RAM) организована как последовательность ячеек памяти. Всякий раз, когда центральный процессор компьютера должен считать или записать информацию в оперативную память, он должен идентифицировать ячейку, в которой хранится информация. После получения запроса от процессора ячейка памяти отвечает, предоставляя свои данные. Это время отклика называется временем доступа (чтение или записи).
Даже если это очень короткое время, оно слишком большое для процессора, которые выполняет операции гораздо, чем оперативная память.
Кэшированная память Windows 10 что это и как очистить
Чтобы сократить время ожидания процессора, компьютер использует кэш, – гораздо более быстрый тип памяти по сравнению с основной памятью.
Поэтому для оптимизации производительности объединены два типа памяти. Большой объем памяти с медленным временем доступа в ОЗУ и небольшой объём памяти с очень быстрым временем доступа в кэше.
Почему бы просто не использовать кэш-память, если она быстрее? Потому что кэш намного дороже оперативной памяти и по этой причине его используют только в небольших количествах.
Как работает кэш-память
Чтобы понять, что такое кэширование и как оно работает, нам нужно объяснить, что такое принцип локальности.
Принцип локальности гласит, что когда центральный процессор считывает данные из ячеек основной памяти компьютера, весьма вероятно, что другие данные, которые он будет использовать, также будут расположены рядом с рассматриваемой ячейкой. По этой причине вся информация, смежная с запрашиваемой центральным процессором, передаётся в кэш. Когда процессор компьютера запрашивает новую информацию, она, скорее всего, уже будет в кэше.
В случае, если запрошенные данные не кэшируются, центральный процессор сделает запрос в основную память, чтобы найти ячейку, содержащую информацию. Также в этом случае центральный процессор будет передавать информацию, смежную с информацией о ячейке, используемой в кеше. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока кэш полностью не заполнится.
Уровни кэш-память
После понимания, что такое кэш-память, давайте посмотрим, сколько существует типов или уровней кеш-памяти.
Есть 4 возможных уровня (L), и они организованы иерархически:
- L1 или кэш первого уровня. Он является внутренним по отношению к процессору и часто разделяется на кэш данных и кэш инструкций.
- L2 или кэш второго уровня. Он может быть как внутренним, так и внешним, и не различает данные и инструкции.
- L3 или кэш третьего уровня. Он может быть как внутренним, так и внешним, но может вовсе отсутствовать. Он не различает данных и инструкций.
Типы кэш-памяти
Устройства ЭВМ: кэш-память
Кэш-память — это промежуточная буферная память с быстрым доступом к ней, содержащая информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью.
КАК РАБОТАЕТ КЭШ ПРОЦЕССОРА | ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
Введение
Кэш-памятью, или просто кэшем, называется организованная в виде ассоциативного запоминающего устройства быстродействующая буферная память, имеющая ограниченный объем, которая может располагаться между регистрами процессора и относительно медленной основной памятью и хранит наиболее часто применяемую информацию вместе с ее признаками (тегами), в качестве которых используется часть адресного кода.
В процессе работы некоторые информационные блоки должны копироваться из главной памяти в кэш-память. Когда центральный процессор обращается за командой или данными, то вначале должно проверяться их наличие в кэш-памяти. Когда требуемая информация расположена в кэше, то она может быть оперативно извлечена, что является кэш-попаданием. А когда требуемой информации нет в кэш-памяти (кэш-промах), то она должна выбираться из основной памяти, передаваться в микропроцессор и одновременно заноситься в кэш-память. Увеличение быстродействия электронной вычислительной машины может быть достигнуто тогда, когда кэш-попадания случаются значительно более часто, чем кэш-промахи.
Кэш-память
Для определения чаще всего используемой информации современные микропроцессоры обладают определенным механизмом, позволяющем в какой-то мере решить эту задачу. Но все же, как правило, кэш-память сама способна отбирать наиболее часто используемую информацию.
При начале работы микропроцессора весь набор информации, находящейся в его кэш-памяти, является недостоверным. При обращении к памяти микропроцессор, как было указано выше, вначале выполняет проверку наличия требуемой информации в кэш-памяти. Для этого подготовленный им физический адрес необходимо сравнить с адресами ячеек памяти, данные из которых были раньше переписаны из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) в кэш-память.
При первоначальном обращении подобной информации в кэш-памяти, конечно, нет, и это означает, что произошел кэш-промах. В таком случае микропроцессор выполняет обращение к оперативной памяти, получает искомые информационные данные, применяет их в своей работе, но в то же время переписывает эти данные в кэш-память.
«Устройства ЭВМ: кэш-память»
Готовые курсовые работы и рефераты
Решение учебных вопросов в 2 клика
Помощь в написании учебной работы
Если бы в кэш-память вносилась лишь информация, которая была востребована микропроцессором в текущий момент, то, наиболее вероятно, что при последующем обращении снова будет кэш-промах. Поскольку маловероятно, что следующее обращение будет к той же самой команде или к тому же самому операнду.
Кэш-попадания могли бы происходить только после того, как в кэш-памяти будет накоплен достаточно большой участок программы, который содержит некоторые циклические участки кода, или фрагмент данных, требующих повторную обработку. Для того чтобы уже следующее обращение к кэш-памяти вело значительно более часто к кэш-попаданиям, пересылка из оперативной памяти в кэш-память должна происходить не теми блоками в виде байтов или слов, которые затребованы микропроцессором в текущем обращении, а специальными строками. Это означает, что кэш-память и оперативная память с позиций кэширования, организованы в виде строк. Размер строки должен превышать максимально допустимую длину затребованных микропроцессором информационных данных. Как правило, она может составлять от 16 до 64 байт и выравнивается в памяти по границе соответствующего раздела, как показано на рисунке ниже.
Рисунок 1. Кэш-память. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Высокая вероятность кэш-попаданий в таком случае должна обеспечиваться благодаря тому, что практически всегда программы выполняют обращение к ячейкам памяти, которые расположены рядом с ранее использованными. Это свойство, именуемое как принцип локальности ссылок, способно обеспечить высокую эффективность применения кэш-памяти. Оно предполагает, что при выполнении программы в течение определенного сравнительно малого интервала времени может происходить обращение к памяти в границах ограниченного диапазона адресов (причем, как по кодам программы, так и по информационным данным).
К примеру, микропроцессору в процессе своего функционирования стали необходимы два байта информации. Когда строка обладает длиной в 16 байт, то в кэш-память должны переписываться не только необходимые два байта, но и некоторые близь лежащие данные.
Если микропроцессор выполняет обращение за новыми данными, то в силу локальности ссылок, как правило, обращение будет направлено на соседний адрес. Далее этот процесс просто повторяется. Таким образом, определенный набор следующих обращений будет выполняться прямо к кэш-памяти, минуя оперативную память, то есть, это будут кэш-попадания. Если очередной запрошенный микропроцессором физический адрес выходит за пределы строки кэш-памяти, то есть, случится кэш-промах, то будет исполнена закачка в кэш-память новой строчки, и следующая совокупность обращений должна привести к кэш-попаданиям.
Чем более длинная применяемая при обменах между оперативной и кэш-памятью строка, тем более вероятен тот факт, что последующее обращение может произойти в границах данной строки. Но при этом чем более длинной является строка, тем более долго она будет пересылаться из оперативной памяти в кэш-память. И когда очередная команда будет командой перехода или считывание данных должно начаться из нового массива, то есть последующее обращение будет не по соседнему адресу, то интервал времени, затраченный на пересылку длинной строки, будет фактически использован напрасно.
По этой причине при определении длины строки необходимо поддерживать разумный компромисс между соотношением времени обращения к оперативной и кэш-памяти и вероятностью достаточно удаленных переходов от текущего адреса при исполнении программы. Как правило, размер строки должен определяться по результатам моделирования аппаратно-программной структуры системы.
Источник: spravochnick.ru
Как работает кеш процессора и почему это так важно
Когда мы говорим о процессорах , термин » кэш-памяти» почти всегда упоминается. Но как работает кеш процессоров и почему это так важно?
На базовом уровне кэш-память — это очень быстрый тип памяти, который содержит небольшой набор инструкций, которые регулярно использутся для выполнения задач. Команда загружает инструкции в кэш, используя сложные алгоритмы, чтобы иметь возможность быстро, эффективно и без препятствий получать к ним доступ. Другими словами, кеш CPU — это тип памяти в котором хранятся данные, инструкции и процессор имеет прямой мгновенный доступ к ним.
Уровни кэша в современном процессоре
Современные процессоры имеют несколько уровней кэш-памяти, различающихся в L1, L2, L3 и даже L4 в некоторых случаях (L происходит от «level» — уровень.
- Кэш L1 является самым быстрым и самым маленьким. Он содержит данные, которые понадобятся процессору для выполнения самых основных операций, хотя он имеет двойное назначение: инструкции и данные. Первая — это операции, которые процессор должен выполнить, а вторая — информация, которая должна быть обработана. Размер этого кэша обычно составляет около 256 КБ, хотя в некоторых моделях процессоров он уже достигает 1 МБ. Например, Intel Core i9-9900K имеет 512 КБ кэш-памяти первого уровня.
- Кэш L2 немного медленнее, чем L1, но и больше. Обычно он имеет емкость от 256 КБ до 8 МБ. Например, Core i9-9900K имеет 2 МБ кэш-памяти второго уровня.
- Кэш L3 медленнее чем предыдущие, но самый толстый по обьему. Имеет от 4 до 50 МБ. В этом случае Core i9-9900K имеет 16 МБ кэш-памяти третьего уровня. Этот кеш не работает, как предыдущие, поскольку он используется всеми ядрами процессора.
П.С. Нашел Рязань R5 3500X за 12к. Кеш L3-32Mb.
Как работает кеш процессора?
Способ работы кеш-памяти заключается в том, что при запуске программы она начинает выполнять серию инструкций, которые содержатся в ее коде и управляются процессором. Эта информация сначала загружается в ОЗУ, а затем передается в процессор, но для повышения эффективности ее обработки, основные и наиболее часто используемые инструкции копируются в кэш, чтобы процессор мог иметь к ним мгновенный доступ. И это значительно повышает производительность.
Последовательность: когда программа запускается на ПК, данные поступают в ОЗУ, а затем в кэш-память L3, затем в L2 и, наконец, в L1. Во время работы программы процессор будет искать информацию, которая требуется ему в самой быстрой кэш-памяти L1. Если не найдет её там, то перейдет к L2, затем к L3, а если нет нигде, то будет искать его в оперативной памяти.
Источник: dzen.ru