Андрей Смирнов
Время чтения: ~13 мин.
Просмотров: 2

Кэш-память процессора. Уровни и принципы функционирования

Одним из немаловажных факторов повышающих производительность процессора, является наличие кэш-памяти, а точнее её объём, скорость доступа и распределение по уровням.

cache_memory_processor_1.jpg

Уже достаточно давно практически все процессоры оснащаются данным типом памяти, что ещё раз доказывает полезность её наличия. В данной статье, мы поговорим о структуре, уровнях и практическом назначении кэш-памяти, как об очень немаловажной характеристике процессора.

Что такое кэш-память и её структура

Кэш-память – это сверхбыстрая память используемая процессором, для временного хранения данных, которые наиболее часто используются. Вот так, вкратце, можно описать данный тип памяти.

Кэш-память построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых состоит оперативная память. Это тянет за собой множество трудностей в производстве, а также ограничения в объёмах. Именно поэтому кэш память является очень дорогой памятью, при этом обладая ничтожными объёмами. Но из такой структуры, вытекает главное преимущество такой памяти – скорость. Так как триггеры не нуждаются в регенерации, а время задержки вентиля, на которых они собраны, невелико, то время переключения триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро. Это и позволяет кэш-памяти работать на таких же частотах, что и современные процессоры.

Также, немаловажным фактором является размещение кэш-памяти. Размещена она, на самом кристалле процессора, что значительно уменьшает время доступа к ней. Ранее, кэш память некоторых уровней, размещалась за пределами кристалла процессора, на специальной микросхеме SRAM где-то на просторах материнской платы. Сейчас же, практически у всех процессоров, кэш-память размещена на кристалле процессора.

cache_memory_processor_2.jpg

Для чего нужна кэш-память процессора?

Как уже упоминалось выше, главное назначение кэш-памяти – это хранение данных, которые часто используются процессором. Кэш является буфером, в который загружаются данные, и, несмотря на его небольшой объём, (около 4-16 Мбайт) в современных процессорах, он дает значительный прирост производительности в любых приложениях.

Чтобы лучше понять необходимость кэш-памяти, давайте представим себе организацию памяти компьютера в виде офиса. Оперативная память будет являть собою шкаф с папками, к которым периодически обращается бухгалтер, чтобы извлечь большие блоки данных (то есть папки). А стол, будет являться кэш-памятью.

Есть такие элементы, которые размещены на столе бухгалтера, к которым он обращается в течение часа по несколько раз. Например, это могут быть номера телефонов, какие-то примеры документов. Данные виды информации находятся прямо на столе, что, в свою очередь,увеличивает скорость доступа к ним.

Точно так же, данные могут добавиться из тех больших блоков данных (папок), на стол, для быстрого использования, к примеру, какой-либо документ. Когда этот документ становится не нужным, его помещают назад в шкаф (в оперативную память), тем самым очищая стол (кэш-память) и освобождая этот стол для новых документов, которые будут использоваться в последующий отрезок времени.

Также и с кэш-памятью, если есть какие-то данные, к которым вероятнее всего будет повторное обращение, то эти данные из оперативной памяти, подгружаются в кэш-память. Очень часто, это происходит с совместной загрузкой тех данных, которые вероятнее всего, будут использоваться после текущих данных. То есть, здесь присутствует наличие предположений о том, что же будет использовано «после». Вот такие непростые принципы функционирования.

Уровни кэш-памяти процессора

Современные процессоры, оснащены кэшем, который состоит, зачастую из 2–ух или 3-ёх уровней. Конечно же, бывают и исключения, но зачастую это именно так.

В общем, могут быть такие уровни: L1 (первый уровень), L2 (второй уровень), L3 (третий уровень). Теперь немного подробнее по каждому из них:

Кэш первого уровня (L1) – наиболее быстрый уровень кэш-памяти, который работает напрямую с ядром процессора, благодаря этому плотному взаимодействию, данный уровень обладает наименьшим временем доступа и работает на частотах близких процессору. Является буфером между процессором и кэш-памятью второго уровня.

Мы будем рассматривать объёмы на процессоре высокого уровня производительности Intel Core i7-3770K. Данный процессор оснащен 4х32 Кб кэш-памяти первого уровня 4 x 32 КБ = 128 Кб. (на каждое ядро по 32 КБ)

Кэш второго уровня (L2) – второй уровень более масштабный, нежели первый, но в результате, обладает меньшими «скоростными характеристиками». Соответственно, служит буфером между уровнем L1 и L3. Если обратиться снова к нашему примеру Core i7-3770 K, то здесь объём кэш-памяти L2 составляет 4х256 Кб = 1 Мб.

cache_memory_processor_3.jpg

Кэш третьего уровня (L3) – третий уровень, опять же, более медленный, нежели два предыдущих. Но всё равно он гораздо быстрее, нежели оперативная память. Объём кэша L3 в i7-3770K составляет 8 Мбайт. Если два предыдущих уровня разделяются на каждое ядро, то данный уровень является общим для всего процессора. Показатель довольно солидный, но не заоблачный. Так как, к примеру, у процессоров Extreme-серии по типу i7-3960X, он равен 15Мб, а у некоторых новых процессоров Xeon, более 20.

blog comments powered by DISQUS back to top

Кэш – это временные файлы или копии файлов и данных, сохраненные в памяти компьютера, телефона, сервера или браузера для быстрой загрузки по запросу пользователя, а также буфер обмена информации электронных устройств. Хотя название во всех случаях одинаковое, но принцип работы несколько отличается. В статье мы расскажем, в чем отличительные особенности разных типов кэша на разных устройствах.

Слово кэш пришло к нам от английского cache, что дословно переводится как “тайник”. Не путайте его с однозвучным словом cash, которое означает “наличные деньги”.

Говоря простыми словами, кэш (cache) представляет собой копии файлов, которыми вы пользовались, для быстрого доступа к ним. Если вы их удалите, то телефон, компьютер или браузер создаст их снова сразу после использования той или иной программы.

Назначение и тип кэша

Кэшем зовут промежуточный буфер обмена с быстрым доступом, где содержится информация, которая может быть повторно запрошена. А процесс записи данных в кэш принято называть кэшированием. Извлечение данных из кэша занимает меньше времени, в сравнении с медленной памятью или из удаленных источников. Поэтому главное назначение кэша – снизить временную задержку при доступе к информации и увеличить быстродействие устройства, программы или операционной системы.

cash-01.png

Кэширование и кэшированные данные

Выделяют два типа кэша:

  1. Аппаратный.
  2. Программный.

Аппаратная реализация

Аппаратный кэш используется в электронных компонентах и мобильных устройствах – жестком диске, процессоре ПК или смартфона. В память с быстрым доступом помещаются и извлекаются копии часто используемых инструкций и записей. Причем если в HDD в качестве хранилища используется микросхема, то у центрального процессора для ПК или в составе мобильной платформы, кэш состоит из нескольких уровней именуемых L1, L2, L3 и т.д. Объем каждого последующего уровня кэша больше, при этом пропускная способность заметно ниже.

Организацию кэш-памяти центрального процессора для ПК рассмотрим на примере Intel Xeon E3-1240. Объем кэша L1 – 32 КБ на ядро, L2 – 256 КБ на ядро, а L3 – 8 МБ на все ядра. У более современных и многоядерных процессоров, объем памяти больше. Скорость чтения, записи и копирования, у каждого последующего уровня на 30-50% меньше. При этом пропускная способность самого медленного кэша L3 – в 6-8 раз выше, в сравнении с оперативной памятью.

st435_14_06_02_19_01.jpg

Пропускная способность аппаратного кэша.

Принцип работы кэша следующий. Благодаря заложенным алгоритмам, процессор заранее просчитывает, какой тип данных потребуется, для чего извлекает заранее подготовленные записи. Если же расчет выполнен неверно или нужная запись отсутствует, цепочка действий выстраивается заново, а поиск требуемых данных выполняется в удаленных разделах памяти – кэш L2 или L3, оперативная память или HDD. В обоих случаях продолжительность обработки запроса увеличивается. Читайте подробнее о назначении кэша в процессоре.

Для наглядного понимания работы кэш-памяти и скорости работы, представим в качестве задачи – приготовление салата в реальной жизни. Держа в уме рецепт, вы поочередно добавляете нужные ингредиенты, что находятся на столе. Если требуемого ингредиента под рукой нет, поиск переносится в другое место. Когда выяснится, что нужного компонента дома нет, вам придется сходить в ближайший магазин или съездить в отдаленный супермаркет, а затем вернуться и закончить приготовление. Именно такой путь проделывает процессор при выполнении каждой задачи.

Стоит отметить, что увеличить объем аппаратного кэша невозможно. И если для процессора это не критично, так как производитель устанавливает оптимальный объем памяти, то для жесткого диска лишней кэш память не будет. Поскольку часть памяти отведено под прошивку и микро ОС. Оптимальный объем 128 или 256 МБ.

Программная реализация

Программный кэш представляет собой область данных на диске, обычно папку, где приложения или операционная система хранит часто используемые файлы. При повторном запросе со стороны пользователя, программа ищет данные в кэше для оперативной загрузки. Если информация отсутствует или устарела, загрузка производится из внешних источников – интернета.

Стоит отметить, что на скорость считывания и загрузки данных из кэша влияет тип накопителя. Наивысшую скорость обеспечивают твердотельные диски – SSD, среднюю скорость демонстрируют гибридные решения SSD и HDD – HHD, наименьшая скорость у диска HDD.

cash-02.png

Кэш в разных устройствах

Что такое кэш браузера

В браузере используется программная реализация кэширования на диск. Информация о просмотренных страницах сохраняется в выделенную область памяти. При следующем запросе, программа сначала ищет страницу в кэш-памяти. Если поиск удачен – загружает страницу, в ином случае скачивает повторно из интернета. Таким образом, достигается быстрая загрузка данных, что эффективно при слабом или отсутствующем подключении к интернету.

Из недостатков стоит отметить длительность поиска кэшированной страницы, на что влияет тип и загруженность накопителя, а так же общая конфигурация компьютера. На слабых машинах со старыми или изношенными дисками, скорость работы ощутимо ниже. Поэтому переполненную область данных рекомендуется периодически очищать. Узнайте подробнее как очистить кэш браузера, в нашем отдельном материале.

Что такое кэш на компьютере

На компьютере операционная система так же использует программную реализацию кэширования. Остаточные файлы обновления системы, отчеты различных служб, базы данных и т.д., обычно хранятся во временной выделенной области памяти на диске.

st431_14_31_01_19_002.jpg

Статистика очистки памяти на компьютере

Так же на компьютере используется другой вид программного кэширования – файл подкачки. В скрытое от пользователя хранилище, игры и приложения записывают данные, что не поместились в оперативной памяти или что могут пригодиться позднее. Объем файла подкачки регулируется в операционной системе и позволяет частично компенсировать нехватку оперативной памяти.

Стоит отметить, что компьютер так же нуждается в удалении временных файлов для увеличения производительности. Смотрите детальнее как очистить кэш на компьютере.

Что такое кэш на телефоне

На телефоне, в частности с ОС Android, кэшем одновременно называют временные файлы, а так же дополнения к приложениям и играм. В первом случае, временные файлы образовываются в процессе работы программ. В число данных входят сохраненные страницы из интернета, миниатюры фотографий в галерее, отчеты о работе или сбоях и т.д.

Кэш в виде дополнения к играм или программам – неотъемлемая часть приложения для нормальной работы или доступа к дополнениям. В играх такой вид временных данных хранит текстуры, языковые пакеты, библиотеки и т.д. Если данные отсутствуют, то игра не запустится или не заработает на определенном этапе. В случае с программой, ограничения коснуться определенных функций.

В ОС Android кэш активных пользователей часто достигает 2 ГБ, что ощутимо заметно на устройствах, где 8 или 16 ГБ внутренней памяти. Для освобождения памяти или ускорения работы устройства, рекомендуется удалить ненужные файлы. Узнайте детальнее, как очистить кэш на андроиде в отдельной статье.

st398_14_17_12_18_02.jpg

Данные кэша в телефоне.

Краткое резюме

  • Существует аппаратный и программный кэш.
  • Аппаратный кэш использует собственную память с быстрым доступом. Программный кэш – хранит данные в папке на диске.
  • Аппаратный кэш способствует увеличению производительности компьютера, за счет уменьшения обращений к оперативной и дисковой памяти. Программный кэш ускоряет загрузку ранее просмотренной информации.
  • Аппаратное увеличение кэш-памяти недоступно. Объем программной кэш-памяти ограничено свободным пространством на диске.
  • Для освобождения памяти и увеличения быстродействия системы, программный кэш рекомендуется периодически очищать.
  • Кэширование – процесс создания и сохранение в памяти копий файлов.
  • Кэшированные данные – сохраненные копии файлов программ, приложений, страниц и др.

Видео инструкции

» alt=»»>

» alt=»»>

Вывод

В статье мы детально описали, что такое кэш. В чем различия, а так же как устроена работа кэш-памяти. Промежуточный буфер обмена информацией способствует повышению быстродействия и производительности. При этом программный кэш лучше очищать несколько раз в год, что бы исключить переполнения и замедления работы компьютера или телефона.

Какие у вас есть вопросы? Задавайте интересующий вас вопрос в комментариях.

cpu-logo.png Категория: Периферия

Выбирая процессор, рядовой покупатель в первую очередь смотрит на такие характеристики, как количество ядер и тактовую частоту. Но есть и ещё один важный параметр, который следует учитывать при покупке — объем кэш памяти.

Итак, насколько важна эта характеристика и как влияет на скорость вычислений?

Зачем нужна кэш память

В компьютере используется несколько типов памяти. Всем известны HDD/SSD для долгосрочного хранения информации и ОЗУ (RAM), которая при потере питания сбрасывает всё содержимое. Важное различие между ними — это скорость доступа к данным.

Для общего понимания следует знать, что программы состоят из набора команд. При запуске, они копируются с жесткого диска в оперативную память, а процессору указывается адрес ячейки, где находится стартовая команда. Выполнив её, результат записывается опять в оперативную память. Именно так всё работает, если отбросить важную деталь.

cpu-01.jpg

Процессоры давно способны выполнять такое количество команд в секунду, что их доставка из ОЗУ тормозит ход работы. Чтобы минимизировать эти задержки, задействуется сверхбыстрая кэш память и специальный контроллер внутри самого процессора. Контроллер по сложным алгоритмам предугадывает, какие данные в ближайшее время могут понадобиться и копирует их в кэш. Но на этом всё не заканчивается. Поступившие данные распределяются по уровням.

Уровни кэша: L1, L2 и L3

Кэш процессора разделен на три основных уровня: L1, L2 и L3. Отличаются они скоростью доступа и размером.

  • Кэш L1 (уровень 1) — это самая быстрая память которая присутствует в компьютере. С точки зрения приоритета, L1 содержит данные и команды, которые понадобятся в первую очередь. Размер обычно достигает 256 КБ, хотя некоторые топовые процессоры (типа Intel Xeon) могут иметь более 1 МБ.
  • Кэш L2 (уровень 2) медленнее, но больше по размеру. Объем в диапазоне от 256 КБ до 8 МБ. Содержит данные, которые также могут скоро потребоваться, но не уместились в L1. Память первых двух уровней встроена прямо в ядро процессора. То есть, у каждого ядра она своя.
  • Кэш L3 (уровень 3) — самая медленная из них, но и самая большая. Размер может достигать 62 МБ. Физически располагается внутри кристалла процессора, что позволяет обращаться к её содержимому намного быстрее, чем к ячейкам оперативной памяти.

cpu-02.jpg

Когда процессор ищет данные для выполнения операции, он последовательно начинает просматривать все уровни, начиная с L1 и заканчивая L3. Если поиск завершился неудачей, то приходиться обращаться к оперативной памяти, а это вызывает задержку в работе. Поэтому, чем объемней кэш, тем больше вероятность нахождения в нем нужных данных, а значит меньше задержек.

cpu-03.jpg

Влияние на скорость работы

Размер кэш памяти влияет на скорость работы программ, но почти всегда этот прирост незначителен за счет массы других факторов. Например, если производитель вдруг увеличит у конкретной модели процессора кэш L3 с 4 МБ до 8 МБ, то в лучшем случае, при выполнении некоторых приложений, получим прирост производительности на 10%. А при обычной работе это будет всего около 2%.

Таким образом, можно сделать вывод, что ориентироваться на объем кэш памяти при покупке процессора стоит в последнюю очередь. Хотя прогресс не стоит на месте и появляются новые идеи в устранении задержек при работе с данными. Например, компания Intel уже провела ряд экспериментов по внедрению кэша 4 уровня и останавливаться на этом не собирается.

Пример объема L3 буфера разных процессоров и их средняя цена:

Intel Celeron G4950 2 МБ 5 000 руб.
Intel Celeron G4500 3 МБ 4 500 руб.
AMD Ryzen 3 3200G 4 МБ 6 500 руб.
Intel Core i3-9100F 6 МБ 6 500 руб.
AMD Ryzen 5 1400 8 МБ 6 000 руб.
Intel Core i5-9400F 8 МБ 9 000 руб.
Intel Xeon E5-2623 v4 10 МБ 35 000 руб.
Intel Core i7-9700F 12 МБ 23 000 руб.
AMD Ryzen 7 2700 16 МБ 14 000 руб.
Intel Core i9-9900 16 МБ 35 000 руб.
Intel Xeon E5-2609 v4 20 МБ 22 000 руб.
Intel Xeon E5-2650 v4 30 МБ 80 000 руб.
AMD Ryzen 9 3900X 62 МБ 50 000 руб.

Визуализация работы:

Используемые источники:

  • http://we-it.net/zhelezo/protsessory/146-kesh-pamyat-protsessora-urovni-i-printsipy-funktsionirovaniya
  • https://androfon.ru/kompyuter/chto-takoe-kesh
  • https://realadmin.ru/perefiriya/kesh-pamyat-processora.html

Рейтинг автора
5
Подборку подготовил
Андрей Ульянов
Наш эксперт
Написано статей
168
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации