КЭШ-память процессора

КЕШ-пам'ять є буфером між оперативною RAM-пам’яттю і процесором. Розрізняють декілька видів такої пам'яті: першого рівня (L-1), другого рівня (L-2) та іноді третього(L-3). Пам'ять рівня L-1 вмонтована в процесор і працює на частоті процесора. Її об’єм в більшості комп’ютерів 8-64 Кбайта. Пам'ять другого і третього рівнів може знаходитись на системній платі і працювати на частоті системної шини. Об’єм такої памьяти здебільшого дорівнює 128-1024Кбайт. В деяких процесорах КЕШ другого рівня також вмонтована в корпус процесора і працює на частотах вищих ніж частоти системної шини.

Завдяки використанню КЕШа обмін даними між процесором і RAM значно підвищується, що призводить до загального підвищення продуктивності комп’ютера.

У всіх процесорах, починаючи з 486-го, є вбудований (першого рівня) кеш-контроллер з кеш-пам'яттю об'ємом 8 Кбайт в процесорах 486DX, а також 32, 64 Кбайт і більш в сучасних моделях. Кеш — це швидкодійна пам'ять, призначена для тимчасового зберігання програмного коду і даних. Звернення до вбудованої кеш-пам'яті відбуваються без станів очікування, оскільки її швидкодія відповідає можливостям процесора, тобто кеш-пам'ять першого рівня працює на частоті процесора.

У сучасних процесорах вбудований кеш виконує ще важливішу роль, тому що він часто є єдиним типом пам'яті у всій системі, який може працювати синхронно з процесором. У більшості сучасних процесорів використовується множник тактової частоти, отже, вони працюють на частоті, у декілька разів перевищуючої тактову частоту системної платі, до якої вони підключені. Наприклад, тактова частота (1 ГГц), на якій працює процесор Pentium ІІІ, в сім з половиною разів перевищує тактову частоту системної платі, рівну 133 Мгц. Оскільки оперативна пам'ять підключена до системної платі, вона також може працювати тільки на тактовій частоті, що не перевищує 133 Мгц. У такій системі зі всіх видів пам'яті тільки вбудований кеш може працювати на тактовій частоті 1 ГГц. Розглянутий в даному прикладі процесор Pentium Ш на 1 ГГц має вбудований кеш загальним об'ємом 32 Кбайт (у двох окремих блоках по 16 Кбайт).

Якщо дані, необхідні процесору, знаходяться вже у внутрішній кеш-пам'яті, то затримок не виникає. Інакше центральний процесор повинен одержувати дані з кеш-пам'яті другого рівня або (у менш складних системах) з системної шини, тобто безпосередньо з основної пам'яті.

.

Кэш-память первого уровня большей части процессоров Intel имеет коэффициент совпадения, равный примерно 90%. Это означает, что кэш-память содержит корректные данные 90% времени, а следовательно процессор работает на полной скорости (в данном случае с частотой 233 МГц) примерно 90% всего времени. Оставшиеся 10% времени кэш_контроллер обращается к более медленной основной памяти, во время чего процессор находится в состоянии ожидания. Фактически происходит снижение быстродействия системы до уровня оперативной памяти, скорость которой равна 60 нс, или 16 МГц.

Для того, щоб зменшити відчутне уповільнення системи, що виникає при кожному промаху кеша, задіюється кеш-пам'ять другого рівня.

Коефіцієнт збігу кеш-пам'яті як першого, так і другого рівнів складає 90%. Таким чином, розглядаючи систему в цілому, можна сказати, що 90% часу вона працює з повною тактовою частотою (у нашому прикладі 233 Мгц), одержуючи дані з кеш-пам'яті першого рівня; 10% часу дані витягуються з кеш-пам'яті другого рівня. Процесор працює з кеш-пам'яттю другого рівня тільки 90 % цього часу, що залишилися від 10% через промахи кеша першого рівня. Таким чином, об'єднуючи кеш-пам’ять першого і другого рівнів, одержуємо, що звична система працює з частотою процесора 90% часу (у нашому випадку 233 Мгц), з частотою системної платі 9% часу (тобто 90% від 10% при частоті 66 Мгц) і з тактовою частотою основної пам'яті приблизно 1% часу (10% від 10% при частоті 16 Мгц). Це наочно демонструє важливість кеш-пам’яті першого і другого рівнів; за відсутності кеш-пам'яті система часто звертається до ОЗУ, швидкість якого значно нижче за швидкість процесора.

Якісний стрибок в технології відбувся з появою процесорів Celeron 300A і вище. У цих процесорах зовнішні мікросхеми кеш-пам'яті другого рівня не використовуються. Натомість кеш-пам'ять як першого, так і другого рівнів інтегрована безпосередньо в ядро процесора. Таким чином, кеш-пам'ять обох рівнів працює з повною тактовою частотою процесора, що дозволяє підвищувати її швидкодію при можливому збільшенні швидкості процесора. У останніх моделях Pentium Ш, а також у всіх процесорах Хеоп і Celeron кеш-пам'ять другого рівня як і раніше працює з тактовою частотою ядра процесора, а значить, при невдалому обігу в кеш-пам'ять першого рівня очікування або уповільнення операцій не відбувається.

Дата добавления: 2014-01-11