Cache-Speicher, was ist das? Wie funktioniert es? Was ist mit L1, L2 und L3?

In den letzten Jahren hat sich die Entwicklung von Computerprozessoren beispiellos beschleunigt. Jedes Jahr beginnen Unternehmen, Prozessoren mit präziseren Technologien herzustellen, die 7nm erreichen. Was die Prozessoren betrifft, so sind nicht nur Prozessorgeschwindigkeit und Fertigungsgenauigkeit die Kriterien, die die Prozessorstärke bestimmen, sondern auch ein Cache.

Weitere Informationen zu Prozessoren und deren Spezifikationen finden Sie in unseren vorherigen Artikeln:

Möglicherweise haben Sie von Cache-Speicher gehört, wenn Sie die Spezifikationen eines Computerprozessors durchsucht haben. Normalerweise schenken wir dem Cache nicht viel Aufmerksamkeit, noch stellen sie die prominentesten Spezifikationen in der Unternehmenswerbung für die Prozessoren dar, die Sie anbieten. Aber wie wichtig ist der CPU-Cache und wie funktioniert er?

Was ist der Prozessorcache?

Einfach ausgedrückt, der Cache ist nur ein sehr schneller Speichertyp. Sie wissen, es gibt mehrere Arten von Speicher im Computer. Es gibt einfache und permanente Speichergeräte wie Festplatten wie Festplatten, die den Großteil der Daten speichern, wie das Betriebssystem und alle Programme darin.

Außerdem will er RAM, bekannt als RAM, der viel schneller ist als die basiskafter Speicherdatenträger und speichert Daten darin vorübergehend und nicht dauerhaft.

Schließlich verfügt die CPU über schnellere und schnellere Speichereinheiten, die als Caches bezeichnet werden.

Sie können unsere Artikel auf RAM-Speicherdatenträgern und Caches lesen:

Wenn wir versuchen, die Arten von Erinnerungen im Computer basierend auf ihren Geschwindigkeiten zu kategorisieren, finden wir den Speicher an der Spitze der Liste, die die schnellste von ihnen ist und Teil der CPU ist, wo die verschiedenen Verarbeitung von Aufträgen und Berechnungen auftreten.

Ein Cache ist statischer RAM, aber im Vergleich zum dynamischen synchronen Ram (SDRAM) des Computers ist er viel schneller und kann Daten aufbewahren, ohne ihn ständig aktualisieren zu müssen, was ihn ideal für die Verwendung als CPU-Cache macht.

Wie funktioniert der Cache?

Sie wissen, verschiedene Computerprogramme sind als Codesatz konzipiert, und dieser Code wird von der CPU ausgeführt. Wenn Sie ein Programm ausführen, müssen diese Software-Lernprogramme ihren Weg vom Basisvolume des Speicherdatenträgers zum Prozessor finden. Aber wie funktioniert dieser Prozess?

Der Code wird zunächst geladen und vom Speicherdatenträger an den RAM gesendet und dann an die CPU gesendet, um ihn auszuführen.  Heutzutage sind Prozessoren in der Lage, eine große Anzahl von Code pro Sekunde auszuführen. Aber um seine Leistung voll auszuschöpfen, muss die CPU auf Hochgeschwindigkeitsspeicher zugreifen. RAM ist nicht zu schnell, um mit dem Prozessor schritt zu halten, wenn er Code bereitstellt. Daher die Notwendigkeit für schnelleren Speicher und hier kommt die Rolle des Cache.

Der Speichercontroller nimmt Daten aus dem RAM und sendet sie an den Cache. Je nach CPU auf Ihrem Computer kann sich diese Konsole entweder auf dem North Bridge-Chipsatz auf der Hauptplatine oder innerhalb der CPU selbst befinden.

Der Cache führt dann den Code sequenziell innerhalb der CPU aus und kann sehr schnell mit dem Prozessor Schritt halten und ihn sequenziell mit dem Code versorgen, um ihn auszuführen. durch eine präzise Hierarchie.

Cache-Level: L1, L2 und L3

Der CPU-Cache ist in drei Hauptebenen unterteilt: L1, L2 und L3. Sie sind nach höherer Geschwindigkeit und geringerer Kapazität angeordnet. Je schneller der Speicher, desto mehr wird es auf Kosten seiner Kapazität sein.

Der L1-Cache (Stufe 1) ist der schnellste Speicher im Computer. Für den Prioritätszugriff enthält der L1-Cache die Daten, die die CPU benötigt, während sie eine bestimmte Aufgabe abschließen.

Der L1-Cache hat in der Regel eine Kapazität von bis zu 256 KB. Einige leistungsstarke CPUs haben jedoch eine Kapazität von ca. 1 MB. Einige Serverprozessorchips (z. B. Intel Xeon CPU) enthalten 1-2 MB L1-Cache.

Der L1-Cache ist in der Regel in zwei Teile unterteilt, der erste ist der Hilfecache und der zweite ist der Datencache. Im Hilfecache werden Informationen über den Prozess behandelt, den die CPU ausführen soll, während der Datencache die Daten enthält, für die der Vorgang ausgeführt wird.

Der L2-Cache (Ebene 2) ist langsamer als der L1-Cache, aber kapazitätsstärker. Die Kapazität reicht in der Regel von 256 KB bis 8 MB, aber neue und leistungsstarke CPUs haben mehr Kapazität. Der L2-Cache enthält Daten, auf die die CPU für den folgenden Code in der Ausführung wahrscheinlich zugreift. In den meisten modernen CPUs befinden sich die L1- und L2-Caches auf der Innenseite der CPU selbst.

Der L3-Cache (Ebene 3) ist der größte Cache und langsamer. Seine Kapazität kann zwischen 4 MB und 50 MB liegen.

Was bedeutet Cache-Hit oder Cache Miss? Was bedeutet Latenz?

Daten fließen vom RAM in den L3-Cache, dann L2 und schließlich L1. Wenn der Prozessor nach Daten sucht, um einen Vorgang auszuführen, versucht er zunächst, ihn im Cache zu finden. Wenn die CPU in der Lage ist, sie zu finden, sagen Sie in diesem Fall, dass der Cache das Cache-Hit-Ziel erreicht hat. Wenn die Verarbeitungseinheit die Daten nicht in der Cachehütte findet, versuchen Sie, vom Hauptspeicher darauf zuzugreifen. In diesem Fall sagen wir, dass wir Ziel Cache Miss verloren haben.

Der Cache wurde entwickelt, um die Übertragung von Informationen zwischen dem Hauptspeicher und der CPU zu beschleunigen. Natürlich hat L1 die niedrigste Übertragungszeit, die am schnellsten und am nächsten zum Prozessor ist, und der L3-Speicher hat den höchsten. Ankunfts- oder Transferzeit erhöht sich stark, wenn das Ziel verloren geht. Dies liegt daran, dass die CPU Daten aus dem Hauptspeicher abrufen muss.

Da Computer schneller und ausgefeilter werden, sehen wir eine Abnahme der Latenz in modernen Geräten. Wir haben jetzt RAM der niedrigen Generation (DDR4) und Hochgeschwindigkeits-SSDs mit niedrigen Zugriffszeiten als primäres Speicher, die beide die Gesamtlatenz deutlich reduzieren.

In der Vergangenheit haben Cache-Designs den L2- und L3-Cache aus der CPU entfernt, was sich negativ auf die Latenz auswirkte. Dadurch kann der Cache näher an der CPU platziert werden, ohne sich um den Speicherplatzfaktor zu kümmern, was die Latenz erheblich reduziert.

Die Zukunft der Caching-Repeater

Der Cache-Designprozess entwickelt sich weiter und wird mit der Zeit billiger, schneller und kompakter. Intel und AMD haben viele Prozessoren mit enormen Entwicklungen in der Lagerhaltung versorgt, und die prominentesten der beiden Unternehmen sind Intels L4-Cache-Tests.

In diesem Bereich wird viel gearbeitet. Die Aufgabe, die Speicherübergangszeit zu reduzieren, kann immer noch der Hauptteil des Entwicklungsprozesses sein. Unternehmen entwickeln sie ständig weiter und die Zukunft sieht wirklich vielversprechend aus.