В 1980-х годах скорость микропроцессоров выросла в геометрической прогрессии по сравнению со временем доступа к памяти. Быстро стало очевидно, что необходимо что-то сделать, чтобы повысить скорость доступа к памяти и сделать всю систему более эффективной. Эти несоответствия между скоростью обработки и скоростью памяти привели к развитию кэша.
Что такое кеш
Изобретение кэша стало одним из самых важных событий в истории информатики. Но что такое кэш? Как это работает?
На базовом уровне кэш представляет собой быстродействующую память. Он содержит небольшой пул памяти, содержащий инструкции, которые, скорее всего, понадобятся компьютеру при выполнении определенной задачи. Компьютер загружает эту информацию в кэш, используя сложные алгоритмы и знание программного кода. Целью наличия системы кэширования на компьютере является обеспечение ЦП беспрепятственного доступа к необходимым ему данным в том порядке, в котором они ему необходимы.
Чтобы понять, как это работает, вам нужно знать, что компьютеры имеют три типа памяти. Во-первых, это основная память, расположенная на жестком диске или SSD. Это самый большой репозиторий памяти в машине. Затем есть ОЗУ или оперативное запоминающее устройство, которое быстрее, но меньше, чем основное запоминающее устройство. Наконец, внутри самого ЦП есть блоки памяти, известные как кеш. Кэш — самый быстрый из всех типов памяти.
Когда программа запускается, она начинает выполнять ряд инструкций, найденных в коде программы. Эта информация сначала загружается в ОЗУ, а затем передается в ЦП. Чтобы наилучшим образом использовать данные для выполнения инструкций, процессору необходима высокоскоростная память. Вот тут-то и пригодится кеш.
Читайте также: Почему тактовая частота процессора не увеличивается
Уровни кэша
В ЦП имеется три разных уровня кэша: L1, L2 и L3. Некоторые компании даже работают над кэшем L4.
Кэш L1 — самый быстрый и маленький из трех. Он содержит данные, которые, скорее всего, потребуются процессору для выполнения операций. L1 обычно занимает около 256 КБ, хотя некоторые увеличивают его до 1 МБ.
Этот небольшой кэш имеет двойное назначение: он содержит как кэш инструкций, так и кэш данных. Кэш инструкций занимается операциями, которые должен выполнить ЦП, а кеш данных содержит информацию, на основе которой должен выполняться процесс.
Далее идет кэш L2. L2 медленнее и содержит больше информации, чем L1. Он содержит от 256 КБ до 8 МБ данных, к которым компьютеру, скорее всего, понадобится доступ в следующий раз.
Наконец, мы видим кеш L3. Это самый большой и медленный кэш, объем которого составляет от 4 до 50 МБ.
Читайте также: Процессоры AMD против Intel: кто победит в 2023 году?
Как работает кеш
Когда программа запускается на вашем компьютере, данные передаются из ОЗУ в кэш L3, затем в L2 и, наконец, в L1. Пока программа работает, ЦП ищет информацию, необходимую для ее выполнения, начиная с кэша L1 и работая оттуда в обратном направлении. Если ЦП находит необходимую информацию, это называется попаданием в кэш. Если он не может найти нужную информацию, это ошибка кэша, и компьютер должен искать где-то еще, чтобы найти нужную информацию.
Задержка — важный фактор эффективности работы компьютера. Задержка — это время, необходимое для получения части информации. Кэш L1 является самым быстрым и, следовательно, имеет самую низкую задержку. При возникновении промаха в кэше задержка увеличивается, поскольку компьютеру приходится продолжать поиск в разных кэшах, чтобы найти необходимую информацию.
Новые компьютеры имеют гораздо меньший размер транзистора ЦП, что позволило создать плату с большим пространством для размещения непосредственно на ней кэша. Физическое размещение кэша ближе к процессору снижает задержку.
Хотя продавцы компьютеров не часто обращают внимание на кэш, его стоит проверить. Более быстрые кэши будут иметь меньшую задержку, благодаря чему ваши программы будут работать быстрее и эффективнее.
