Влияние кэш-памяти на производительность компьютера. Что такое кэш процессора Какая кэш память считается самой быстрой

Речь идет не о наличности, а о кэш -памяти процессоров и не только. Из объема кэш -памяти торгаши сделали очередной коммерческий фетиш, в особенности с кэшем центральных процессоров и жестких дисков (у видеокарт он тоже есть – но до него пока не добрались). Итак, есть процессор ХХХ с кэшем L2 объемом 1Мб, и точно такой же процессор XYZ с кэшем объемом 2Мб. Угадайте какой лучше? Аа – вот не надо так сразу!

Кэш -память – это буфер, куда складывается то, что можно и/или нужно отложить на потом. Процессор выполняет работу и возникают ситуации, когда промежуточные данные нужно где-то сохранить. Ну конечно в кэше! – ведь он на порядки быстрее, чем оперативная память, т.к. он в самом кристалле процессора и обычно работает на той же частоте. А потом, через какое то время, эти данные он выудит обратно и будет снова их обрабатывать. Грубо говоря как сортировщик картошки на конвейере, который каждый раз, когда попадается что-то другое кроме картошки (морковка ) , бросает ее в ящик. А когда тот полон – встает и выносит его в соседнюю комнату. В этот момент конвейер стоит и наблюдается простой. Объем ящика и есть кэш в данной аналогии. И сколько его надо – 1Мб или 12? Понятно, что если его объем мал придется слишком много времени уделят выносу и будет простой, но с какого то объема его дальнейшее увеличение ничего не даст. Ну будет ящик у сортировщика на 1000кг морковки – да у него за всю смену столько ее не будет и от этого он НЕ СТАНЕТ В ДВА РАЗА БЫСТРЕЕ! Есть еще одна тонкость – большой кэш может вызывать увеличение задержек обращения к нему во-первых, а заодно повышается и вероятность возникновения ошибок в нем, например при разгоне – во-вторых. (о том КАК в этом случае определить стабильность/нестабильность процессора и выяснить что ошибка возникает именно в его кэше, протестировать L1 и L2 – можно прочесть тут.) В-третьих – кэш выжирает приличную площадь кристалла и транзисторный бюджет схемы процессора. То же самое касается и кэш памяти жестких дисков. И если архитектура процессора сильная – у него будет востребовано во многих приложениях 1024Кб кэша и более. Если у вас быстрый HDD – 16Мб или даже 32Мб уместны. Но никакие 64Мб кэша не сделают его быстрее, если это обрезок под названием грин версия (Green WD) с частотой оборотов 5900 вместо положеных 7200, пусть даже у последнего будет и 8Мб. Потом процессоры Intel и AMD по-разному используют этот кэш (вообще говоря AMD более эффективно и их процессоры часто комфортно довольствуются меньшими значениями). Вдобавок у Intel кэш общий, а вот у AMD он персональный у каждого ядра. Самый быстрый кэш L1 у процессоров AMD составляет по 64Кб на данные и инструкции, что вдвое больше, чем у Intel. Кэш третьего уровня L3 обычно присутствует у топовых процессоров наподобие AMD Phenom II 1055T X6 Socket AM3 2.8GHz или у конкурента в лице Intel Core i7-980X. Прежде всего большие объемы кэша любят игры. И кэш НЕ любят многие профессиональные приложения (см. Компьютер для рендеринга, видеомонтажа и профприложений). Точнее наиболее требовательные к нему вообще равнодушны. Но чего точно не стоит делать, так это выбирать процессор по объему кэша. Старенький Pentium 4 в последних своих проявлениях имел и по 2Мб кэша при частотах работы далеко за 3ГГц – сравните его производительность с дешевеньким двуядерничком Celeron E1***, работающим на частотах около 2ГГц. Он не оставит от старичка камня на камне. Более актуальный пример – высокочастотный двухъядерник E8600 стоимостью чуть не 200$ (видимо из-за 6Мб кэша) и Athlon II X4-620 2,6ГГц, у которого всего 2Мб. Это не мешает Атлону разделать конкурента под орех.

Как видно на графиках – ни в сложных программах, ни в требовательных к процессору играх никакой кэш не заменит дополнительных ядер. Athlon с 2Мб кэша (красный) легко побеждает Cor2Duo с 6Мб кэша даже при меньшей частота и чуть не вдвое меньшей стоимости. Так же многие забывают, что кэш присутствует в видеокартах, потому что в них, вообще говоря, тоже есть процессоры. Свежий пример видеокарта GTX460, где умудряются не только порезать шину и объем памяти (о чем покупатель догадается) – но и КЭШ шейдеров соответственно с 512Кб до 384Кб (о чем покупатель уже НЕ догадается). А это тоже добавит свой негативный вклад в производительность. Интересно еще будет выяснить зависимость производительности от объема кэша. Исследуем как быстро она растет с увеличением объема кэша на примере одного и того же процессора. Как известно процессоры серии E6*** , E4*** и E2*** отличаются только объемом кэша (по 4, 2 и 1 Мб соответственно). Работая на одинаковой частоте 2400МГц они показывают следующие результаты.

Как видно – результаты не слишком отличаются. Скажу больше – если бы участвовал процессор с объемом 6Мб – результат увеличился бы еще на чуть-чуть, т.к. процессоры достигают насыщения. А вот для моделей с 512Кб падение было бы ощутимым. Другими словами 2Мб даже в играх вполне достаточно. Резюмируя можно сделать такой вывод – кэш это хорошо, когда УЖЕ много всего остального. Наивно и глупо менять скорость оборотов винчестера или количество ядер процессора на объем кэша при равной стоимости, ибо даже самый емкий ящик для сортировки не заменит еще одного сортировщика Но есть и хорошие примеры.. Например Pentium Dual-Core в ранней ревизии по 65-нм процессу имел 1Мб кэша на два ядра (серия E2160 и подобные), а поздняя 45-нм ревизия серии E5200 и дальше имеет уже 2Мб при прочих равных условиях (а главное – ЦЕНЕ). Конечно же стоит выбирать именно последний.

Приветствуем вас на сайте GECID.com! Хорошо известно, что тактовая частота и количество ядер процессора напрямую влияют на уровень производительности, особенно в оптимизированных под многопоточность проектах. Мы же решили проверить, какую роль в этом играет кэш-память уровня L3?

Для исследования этого вопроса нам был любезно предоставлен интернет-магазином pcshop.ua 2-ядерный процессор с номинальной рабочей частотой 3,7 ГГц и 3 МБ кэш-памяти L3 с 12-ю каналами ассоциативности. В роли оппонента выступил 4-ядерный , у которого были отключены два ядра и снижена тактовая частота до 3,7 ГГц. Объем же кэша L3 у него составляет 8 МБ, и он имеет 16 каналов ассоциативности. То есть ключевая разница между ними заключается именно в кэш-памяти последнего уровня: у Core i7 ее на 5 МБ больше.

Если это ощутимо повлияет на производительность, тогда можно будет провести еще один тест с представителем серии Core i5, у которых на борту 6 МБ кэша L3.

Но пока вернемся к текущему тесту. Помогать участникам будет видеокарта и 16 ГБ оперативной памяти DDR4-2400 МГц. Сравнивать эти системы будем в разрешении Full HD.

Для начала начнем с рассинхронизированных живых геймплев, в которых невозможно однозначно определить победителя. В Dying Light на максимальных настройках качества обе системы показывают комфортный уровень FPS, хотя загрузка процессора и видеокарты в среднем была выше именно в случае Intel Core i7.

Arma 3 имеет хорошо выраженную процессорозависимость, а значит больший объем кэш-памяти должен сыграть свою позитивную роль даже при ультравысоких настройках графики. Тем более что нагрузка на видеокарту в обоих случаях достигала максимум 60%.

Игра DOOM на ультравысоких настройках графики позволила синхронизировать лишь первые несколько кадров, где перевес Core i7 составляет около 10 FPS. Рассинхронизация дельнейшего геймплея не позволяет определить степень влияния кэша на скорость видеоряда. В любом случае частота держалась выше 120 кадров/с, поэтому особого влияния даже 10 FPS на комфортность прохождения не оказывают.

Завершает мини-серию живых геймплеев Evolve Stage 2 . Здесь мы наверняка увидели бы разницу между системами, поскольку в обоих случаях видеокарта загружена ориентировочно на половину. Поэтому субъективно кажется, что уровень FPS в случае Core i7 выше, но однозначно сказать нельзя, поскольку сцены не идентичные.

Более информативную картину дают бенчмарки. Например, в GTA V можно увидеть, что за городом преимущество 8 МБ кэша достигает 5-6 кадров/с, а в городе - до 10 FPS благодаря более высокой загрузке видеокарты. При этом сам видеоускоритель в обоих случаях загружен далеко не на максимум, и все зависит именно от CPU.

Третий ведьмак мы запустили с запредельными настройками графики и высоким профилем постобработки. В одной из заскриптованных сцен преимущество Core i7 местами достигает 6-8 FPS при резкой смене ракурса и необходимости подгрузки новых данных. Когда же нагрузка на процессор и видеокарту опять достигают 100%, то разница уменьшается до 2-3 кадров.

Максимальный пресет графических настроек в XCOM 2 не стал серьезным испытанием для обеих систем, и частота кадров находилась в районе 100 FPS. Но и здесь больший объем кэш-памяти трансформировался в прибавку к скорости от 2 до 12 кадров/с. И хотя обоим процессорам не удалось по максимум загрузить видеокарту, вариант на 8 МБ и в этом вопросе местами преуспевал лучше.

Больше всего удивила игра Dirt Rally , которую мы запустили с пресетом очень высоко. В определенные моменты разница доходила до 25 кадров/с исключительно из-за большего объема кэш-памяти L3. Это позволяло на 10-15% лучше загружать видеокарту. Однако средние показатели бенчмарка показали более скромную победу Core i7 - всего 11 FPS.

Интересная ситуация получилась и с Rainbow Six Siege : на улице, в первых кадрах бенчмарка, преимущество Core i7 составляло 10-15 FPS. Внутри помещения загрузка процессоров и видеокарты в обоих случаях достигла 100%, поэтому разница уменьшилась до 3-6 FPS. Но в конце, когда камера вышла за пределы дома, отставание Core i3 опять местами превышало 10 кадров/с. Средний же показатель оказался на уровне 7 FPS в пользу 8 МБ кэша.

The Division при максимальном качестве графики также хорошо реагирует на увеличение объема кэш памяти. Уже первые кадры бенчмарка по полной загрузили все потоки Core i3, а вот общая нагрузка на Core i7 составляла 70-80%. Однако разница в скорости в эти моменты составляла всего 2-3 FPS. Чуть позже нагрузка на оба процессора достигла 100%, а разница в определенные моменты уже была за Core i3, но лишь на 1-2 кадра/с. В среднем же она составила около 1 FPS в пользу Core i7.

В свою очередь бенчмарк Rise of Tomb Rider при высоких настройках графики во всех трех тестовых сценах наглядно показал преимущество процессора с значительно большим объемом кэш памяти. Средние показатели у него на 5-6 FPS лучше, но если внимательно посмотреть каждую сцену, то местами отставание Core i3 превышает 10 кадров/с.

А вот при выборе пресета с очень высокими настройками возрастает нагрузка на видеокарту и процессоры, поэтому в большинстве своем разница между системами уменьшается до нескольких кадров. И лишь кратковременно Core i7 может показывать более значимые результаты. Средние показатели его преимущества по итогам бенчмарка снизились до 3-4 FPS.

Hitman также меньше подвержен влиянию кэш-памяти L3. Хотя и здесь при ультравысоком профиле детализации дополнительные 5 МБ обеспечили лучшую загрузку видеокарты, превратив это в дополнительные 3-4 кадра/с. Особо критичного влияния на производительность они не оказывают, но из чисто спортивного интереса приятно, что есть победитель.

Высокие настройки графики Deus ex: Mankind divided сразу же потребовали максимальной вычислительной мощности от обеих систем, поэтому разница в лучшем случае составляла 1-2 кадра в пользу Core i7, на что указывает и средний показатель.

Повторный запуск при ультравысоком пресете еще сильнее загрузил видеокарту, поэтому влияние процессора на общую скорость стало еще меньшим. Соответственно, разница в кэш-памяти L3 практически не влияла на ситуацию и средний FPS отличался менее чем на полкадра.

По итогам тестирования можно отметить, что влияние кэш-памяти L3 на производительность в играх действительно имеет место, но оно проявляется лишь тогда, когда видеокарта не загружена на полную мощность. В таких случаях можно было бы получить прирост в 5-10 FPS, если бы кэш увеличился в 2,5 раза. То есть ориентировочно получается, что при прочих равных каждый дополнительный МБ кэш-памяти L3 добавляет только 1-2 FPS к скорости отображения видеоряда.

Так что, если сравнивать соседние линейки, например, Celeron и Pentium, или модели с разным объем кэш-памяти L3 внутри серии Core i3, то основной прирост производительности достигается благодаря более высоким частотам, а потом и наличию дополнительных процессорных потоков и ядер. Поэтому, выбирая процессор, в первую очередь, все же, нужно ориентироваться на основные характеристики, а только потом обращать внимание на объем кэш-памяти.

На этом все. Спасибо за внимание. Надеемся, этот материал был полезным и интересным.

Статья прочитана 26737 раз(а)

Подписаться на наши каналы

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:

относительно высокая стоимость изготовления

постоянное потребление энергии

Именно эти ограничения SRAM не позволяют делать на основе нее оперативную память.

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 .

Чипы на большинстве современных настольных компьютеров имеют четыре ядра, но производители микросхем уже объявили о планах перехода на шесть ядер, а для высокопроизводительных серверов и сегодня 16-ядерные процессоры далеко не редкость.

Чем больше ядер, тем больше проблема распределения памяти между всеми ядрами при одновременной совместной работе. С увеличением числа ядер всё больше выгодно минимизировать потери времени на управлении ядрами при обработке данных - ибо скорость обмена данными отстает от скорости работы процессора и обработки данных в памяти. Можно физически обратиться к чужому быстрому кэшу, а можно к своему медленному, но сэкономить на времени передаче данных. Задача усложняется тем, что запрашиваемые программами объемы памяти не четко соответствуют объемам кэш-памяти каждого типа.

Физически разместить максимально близко к процессору можно только очень ограниченный объем памяти - кэш процесcора уровня L1, объем которого крайне незначителен. Даниэль Санчес (Daniel Sanchez), По-Ан Цай (Po-An Tsai) и Натан Бэкмен (Nathan Beckmann) - исследователи из лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института - научили компьютер конфигурировать разные виды своей памяти под гибко формируемую иерархию программ в реальном режиме времени. Новая система, названная Jenga, анализирует объемные потребности и частоту обращения программ к памяти и перераспределяет мощности каждого из 3 видов процессорного кэша в комбинациях обеспечивающих рост эффективности и экономии энергии.

Для начала исследователи протестировали рост производительности при комбинации статичной и динамической памяти в работе над программами для одноядерного процессора и получили первичную иерархию - когда какую комбинацию лучше применять. Из 2 видов памяти или из одного. Оценивались два параметра -задержка сигнала (латентность) и потребляемая энергия при работе каждой из программ. Примерно 40% программ стали работать хуже при комбинации видов памяти, остальные - лучше. Зафиксировав какие программы «любят» смешанное быстродействие, а какие - размер памяти, исследователи построили свою систему Jenga.

Они виртуально протестировали 4 виды программ на виртуальном компьютере с 36 ядрами. Тестировали программы:

omnet - Objective Modular Network Testbed, библиотека моделирования C и платформа сетевых средств моделирования (синий цвет на рисунке)
mcf - Meta Content Framework (красный цвет)
astar - ПО для отображения виртуальной реальности (зеленый цвет)
bzip2 - архиватор (фиолетовый цвет)

На картинке показано где и как обрабатывали данные каждой из программ. Буквы показывают, где выполняется каждое приложение (по одному на квадрант), цвета показывают, где находятся его данные, а штриховка указывает на второй уровень виртуальной иерархии, когда он присутствует.

Уровни кэша

Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. Для универсальных процессоров - до 3. Самой быстрой памятью является кэш первого уровня - L1-cache, поскольку расположена на одном с процессором кристалле. Состоит из кэша команд и кэша данных. Некоторые процессоры без L1 кэша не могут функционировать. L1 кэш работает на частоте процессора, и обращение к нему может производиться каждый такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно. Объём обычно невелик - не более 128 Кбайт.

С кэшем L1 взаимодействует кэш второго уровня - L2. Он является вторым по быстродействию. Обычно он расположен либо на кристалле, как и L1, либо в непосредственной близости от ядра, например, в процессорном картридже. В старых процессорах - набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования - при общем объёме кэша в 8 Мбайт на каждое ядро приходится по 2 Мбайта. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра. В задачах, связанных с многочисленными обращениями к ограниченной области памяти, например, СУБД, его полноценное использование дает рост производительность в десятки раз.

Кэш L3 обычно еще больше по размеру, хотя и несколько медленнее, чем L2 (за счет того, что шина между L2 и L3 более узкая, чем шина между L1 и L2). L3 обычно расположен отдельно от ядра ЦП, но может быть большим - более 32 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании. Применение кэша третьего уровня оправдано в очень узком круге задач и может не только не дать увеличения производительности, но наоборот и привести к общему снижению производительности системы.

Отключение кэша второго и третьего уровней наиболее полезно в математических задачах, когда объём данных меньше размера кэша. В этом случае, можно загрузить все данные сразу в кэш L1, а затем производить их обработку.

Периодически Jenga на уровне ОС реконфигурирует виртуальные иерархии для минимизации объемов обмена данных, учитывая ограниченность ресурсов и поведение приложений. Каждая реконфигурация состоит из четырех шагов.

Jenga распределяет данные не только в зависимости от того, какие программы диспетчеризируются - любящие большую односкоростную память или любящие быстродействие смешанных кэшей, но и в зависимости от физической близости ячеек памяти к обрабатываемым данным. Независимо от того - какой вид кэша требует программа по умолчанию или по иерархии. Главное чтобы минимизировать задержку сигнала и энергозатраты. В зависимости от того, сколько видов памяти «любит» программа, Jenga моделирует латентность каждой виртуальной иерархии с одним или двумя уровнями. Двухуровневые иерархии образуют поверхность, одноуровневые иерархии - кривую. Затем Jenga проектирует минимальную задержку в размерах VL1, что дает две кривые. Наконец, Jenga использует эти кривые для выбора лучшей иерархии (то есть размера VL1).

Применение Jenga дало ощутимый эффект. Виртуальный 36-ядерный чип стал работать на 30 процентов быстрее и использовал на 85 процентов меньше энергии. Конечно, пока Jenga - просто симуляция работающего компьютера и пройдет некоторое время, прежде чем вы увидите реальные примеры этого кеша и еще до того, как производители микросхем примут его, если понравится технология.

Конфигурация условной 36 ядерной машины

Процессоры . 36 ядер, x86-64 ISA, 2.4 GHz, Silvermont-like OOO: 8B-wide
ifetch; 2-level bpred with 512×10-bit BHSRs + 1024×2-bit PHT, 2-way decode/issue/rename/commit, 32-entry IQ and ROB, 10-entry LQ, 16-entry SQ; 371 pJ/instruction, 163 mW/core static power
Кэши уровня L1 . 32 KB, 8-way set-associative, split data and instruction caches,
3-cycle latency; 15/33 pJ per hit/miss
Служба предварительной выборки Prefetchers . 16-entry stream prefetchers modeled after and validated against
Nehalem
Кэши уровня L2 . 128 KB private per-core, 8-way set-associative, inclusive, 6-cycle latency; 46/93 pJ per hit/miss
Когерентный режим (Coherence) . 16-way, 6-cycle latency directory banks for Jenga; in-cache L3 directories for others
Global NoC . 6×6 mesh, 128-bit flits and links, X-Y routing, 2-cycle pipelined routers, 1-cycle links; 63/71 pJ per router/link flit traversal, 12/4mW router/link static power
Блоки статической памяти SRAM . 18 MB, one 512 KB bank per tile, 4-way 52-candidate zcache, 9-cycle bank latency, Vantage partitioning; 240/500 pJ per hit/miss, 28 mW/bank static power
Многослойная динамическая память Stacked DRAM . 1152MB, one 128MB vault per 4 tiles, Alloy with MAP-I DDR3-3200 (1600MHz), 128-bit bus, 16 ranks, 8 banks/rank, 2 KB row buffer; 4.4/6.2 nJ per hit/miss, 88 mW/vault static power
Основная память . 4 DDR3-1600 channels, 64-bit bus, 2 ranks/channel, 8 banks/rank, 8 KB row buffer; 20 nJ/access, 4W static power
DRAM timings . tCAS=8, tRCD=8, tRTP=4, tRAS=24, tRP=8, tRRD=4, tWTR=4, tWR=8, tFAW=18 (все тайминги в tCK; stacked DRAM has half the tCK as main memory)

Всем пользователям хорошо известны такие элементы компьютера, как процессор, отвечающий за обработку данных, а также оперативная память (ОЗУ или RAM), отвечающая за их хранение. Но далеко не все, наверное, знают, что существует и кэш-память процессора(Cache CPU), то есть оперативная память самого процессора (так называемая сверхоперативная память).

В чем же состоит причина, которая побудила разработчиков компьютеров использовать специальную память для процессора? Разве возможностей ОЗУ для компьютера недостаточно?

Действительно, долгое время персональные компьютеры обходились без какой-либо кэш-памяти. Но, как известно, процессор – это самое быстродействующее устройство персонального компьютера и его скорость росла с каждым новым поколением CPU. В настоящее время его скорость измеряется миллиардами операций в секунду. В то же время стандартная оперативная память не столь значительно увеличила свое быстродействие за время своей эволюции.

Вообще говоря, существуют две основные технологии микросхем памяти – статическая память и динамическая память. Не углубляясь в подробности их устройства, скажем лишь, что статическая память, в отличие от динамической, не требует регенерации; кроме того, в статической памяти для одного бита информации используется 4-8 транзисторов, в то время как в динамической – 1-2 транзистора. Соответственно динамическая память гораздо дешевле статической, но в то же время и намного медленнее. В настоящее время микросхемы ОЗУ изготавливаются на основе динамической памяти.

Примерная эволюция соотношения скорости работы процессоров и ОЗУ:

Таким образом, если бы процессор брал все время информацию из оперативной памяти, то ему пришлось бы ждать медлительную динамическую память, и он все время бы простаивал. В том же случае, если бы в качестве ОЗУ использовалась статическая память, то стоимость компьютера возросла бы в несколько раз.

Именно поэтому был разработан разумный компромисс. Основная часть ОЗУ так и осталась динамической, в то время как у процессора появилась своя быстрая кэш-память, основанная на микросхемах статической памяти. Ее объем сравнительно невелик – например, объем кэш-памяти второго уровня составляет всего несколько мегабайт. Впрочем, тут стоить вспомнить о том, что вся оперативная память первых компьютеров IBM PC составляла меньше 1 МБ.

Кроме того, на целесообразность внедрения технологии кэширования влияет еще и тот фактор, что разные приложения, находящиеся в оперативной памяти, по-разному нагружают процессор, и, как следствие, существует немало данных, требующих приоритетной обработки по сравнению с остальными.

История кэш-памяти

Строго говоря, до того, как кэш-память перебралась на персоналки, она уже несколько десятилетий успешно использовалась в суперкомпьютерах.

Впервые кэш-память объемом всего в 16 КБ появилась в ПК на базе процессора i80386. На сегодняшний день современные процессоры используют различные уровни кэша, от первого (самый быстрый кэш самого маленького объема – как правило, 128 КБ) до третьего (самый медленный кэш самого большого объема – до десятков МБ).

Сначала внешняя кэш-память процессора размещалась на отдельном чипе. Со временем, однако, это привело к тому, что шина, расположенная между кэшем и процессором, стала узким местом, замедляющим обмен данными. В современных микропроцессорах и первый, и второй уровни кэш-памяти находятся в самом ядре процессора.

Долгое время в процессорах существовали всего два уровня кэша, но в CPU Intel Itanium впервые появилась кэш-память третьего уровня, общая для всех ядер процессора. Существуют и разработки процессоров с четырехуровневым кэшем.

Архитектуры и принципы работы кэша

На сегодняшний день известны два основных типа организации кэш-памяти, которые берут свое начало от первых теоретических разработок в области кибернетики – принстонская и гарвардская архитектуры. Принстонская архитектура подразумевает единое пространство памяти для хранения данных и команд, а гарвардская – раздельное. Большинство процессоров персональных компьютеров линейки x86 использует раздельный тип кэш-памяти. Кроме того, в современных процессорах появился также третий тип кэш-памяти – так называемый буфер ассоциативной трансляции, предназначенный для ускорения преобразования адресов виртуальной памяти операционной системы в адреса физической памяти.

Упрощенно схему взаимодействия кэш-памяти и процессора можно описать следующим образом. Сначала происходит проверка наличия нужной процессору информации в самом быстром - кэше первого уровня, затем - в кэше второго уровня, и.т.д. Если же нужной информации в каком-либо уровне кэша не оказалось, то говорят об ошибке, или промахе кэша. Если информации в кэше нет вообще, то процессору приходится брать ее из ОЗУ или даже из внешней памяти (с жесткого диска).

Порядок поиска процессором информации в памяти:

Именно таким образом Процессор осуществляет поиск инфоромации

Для управления работой кэш-памяти и ее взаимодействия с вычислительными блоками процессора, а также ОЗУ существует специальный контроллер.

Схема организации взаимодействия ядра процессора, кэша и ОЗУ:

Кэш-контроллер является ключевым элементом связи процессора, ОЗУ и Кэш-памяти

Следует отметить, что кэширование данных – это сложный процесс, в ходе которого используется множество технологий и математических алгоритмов. Среди базовых понятий, применяющихся при кэшировании, можно выделить методы записи кэша и архитектуру ассоциативности кэш-памяти.

Методы записи кэша

Существует два основных метода записи информации в кэш-память:

Метод write-back (обратная запись) – запись данных производится сначала в кэш, а затем, при наступлении определенных условий, и в ОЗУ.
Метод write-through (сквозная запись) – запись данных производится одновременно в ОЗУ и в кэш.

Архитектура ассоциативности кэш-памяти

Архитектура ассоциативности кэша определяет способ, при помощи которого данные из ОЗУ отображаются в кэше. Существуют следующие основные варианты архитектуры ассоциативности кэширования:

Кэш с прямым отображением – определенный участок кэша отвечает за определенный участок ОЗУ
Полностью ассоциативный кэш – любой участок кэша может ассоциироваться с любым участком ОЗУ
Смешанный кэш (наборно-ассоциативный)

На различных уровнях кэша обычно могут использоваться различные архитектуры ассоциативности кэша. Кэширование с прямым отображением ОЗУ является самым быстрым вариантом кэширования, поэтому эта архитектура обычно используется для кэшей большого объема. В свою очередь, полностью ассоциативный кэш обладает меньшим количеством ошибок кэширования (промахов).

Заключение

В этой статье вы познакомились с понятием кэш-памяти, архитектурой кэш-памяти и методами кэширования, узнали о том, как она влияет на производительность современного компьютера. Наличие кэш-памяти позволяет значительно оптимизировать работу процессора, уменьшить время его простоя, а, следовательно, и увеличить быстродействие всей системы.