Кэш память характеристика кратко

Обновлено: 05.07.2024

Аннотация: Цель лекции: рассмотреть назначение и общие принципы построения кэш-памяти микропроцессора, а также особенности ее использования в мультимикропроцессорных системах.

Общие принципы функционирования кэш-памяти

Кэш-память (КП), или кэш, представляет собой организованную в виде ассоциативного запоминающего устройства (АЗУ) быстродействующую буферную память ограниченного объема, которая располагается между регистрами процессора и относительно медленной основной памятью и хранит наиболее часто используемую информацию совместно с ее признаками (тегами), в качестве которых выступает часть адресного кода.

В процессе работы отдельные блоки информации копируются из основной памяти в кэш - память . При обращении процессора за командой или данными сначала проверяется их наличие в КП. Если необходимая информация находится в кэше, она быстро извлекается. Это кэш-попадание. Если необходимая информация в КП отсутствует ( кэш-промах ), то она выбирается из основной памяти, передается в микропроцессор и одновременно заносится в кэш - память . Повышение быстродействия вычислительной системы достигается в том случае, когда кэш-попадания реализуются намного чаще, чем кэш-промахи.

Зададимся вопросом: "А как определить наиболее часто используемую информацию? Неужели сначала кто-то анализирует ход выполнения программы, определяет, какие команды и данные чаще используются, а потом, при следующем запуске программы, эти данные переписываются в кэш - память и уже тогда программа выполняется эффективно?" Конечно нет. Хотя в современных микропроцессорах имеется определенный механизм, который позволяет в некоторой степени реализовать этот принцип. Но в основном, конечно, кэш - память сама отбирает информацию, которая чаще всего используется. Рассмотрим, как это происходит.

Механизм сохранения информации в кэш-памяти

При включении микропроцессора в работу вся информация в его кэш-памяти недостоверна.

При обращении к памяти микропроцессор, как уже отмечалось, сначала проверяет, не содержится ли искомая информация в кэш-памяти.

Для этого сформированный им физический адрес сравнивается с адресами ячеек памяти, которые были ранее кэшированы из ОЗУ в КП.

При первом обращении такой информации в кэш -памяти, естественно, нет, и это соответствует кэш-промаху. Тогда микропроцессор проводит обращение к оперативной памяти, извлекает нужную информацию, использует ее в своей работе, но одновременно записывает эту информацию в кэш .

Если бы в кэш - память заносилась только востребованная микропроцессором в данный момент информация , то, скорее всего, при следующем обращении вновь произошел бы кэш-промах: вряд ли следующее обращение произойдет к той же самой команде или к тому же самому операнду. Кэш-попадания происходили бы лишь после того, как в КП накопится достаточно большой фрагмент программы, содержащий некоторые циклические участки кода, или фрагмент данных, подлежащих повторной обработке. Для того чтобы уже следующее обращение к КП приводило как можно чаще к кэш-попаданиям, передача из оперативной памяти в кэш - память происходит не теми порциями (байтами или словами), которые востребованы микропроцессором в данном обращении, а так называемыми строками. То есть кэш - память и оперативная память с точки зрения кэширования организуются в виде строк. Длина строки превышает максимально возможную длину востребованных микропроцессором данных. Обычно она составляет от 16 до 64 байт и выровнена в памяти по границе соответствующего раздела (рис. 4.1).

Высокий процент кэш-попаданий в этом случае обеспечивается благодаря тому, что в большинстве случаев программы обращаются к ячейкам памяти, расположенным вблизи от ранее использованных. Это свойство, называемое принципом локальности ссылок, обеспечивает эффективность использования КП. Оно подразумевает, что при исполнении программы в течение некоторого относительно малого интервала времени происходит обращение к памяти в пределах ограниченного диапазона адресов (как по коду программы, так и по данным).

Например, микропроцессору для своей работы потребовалось 2 байта информации. Если строка имеет длину 16 байт , то в кэш переписываются не только нужные 2 байта, но и некоторое их окружение. Когда микропроцессор обращается за новой информацией, в силу локальности ссылок, скорее всего, обращение произойдет по соседнему адресу. Затем опять по соседнему, опять по соседнему и т. д. Таким образом, ряд следующих обращений будет происходить непосредственно к кэш -памяти, минуя оперативную память (кэш-попадания). Когда очередной сформированный микропроцессором физический адрес выйдет за пределы строки кэш -памяти (произойдет кэш-промах ), будет выполнена подкачка в кэш новой строки, и вновь ряд последующих обращений вызовет кэш-попадания.

Чем длиннее используемая при обмене между оперативной и кэшпамятью строка, тем больше вероятность того, что следующее обращение произойдет в пределах этой строки. Но в то же время чем длиннее строка, тем дольше она будет перекачиваться из оперативной памяти в кэш . И если очередная команда окажется командой перехода или выборка данных начнется из нового массива, то есть следующее обращение произойдет не по соседнему адресу, то время, затраченное на передачу длинной строки, будет использовано напрасно. Поэтому при выборе длины строки должен быть разумный компромисс между соотношением времени обращения к оперативной и кэш -памяти и вероятностью достаточно удаленного перехода от текущего адреса при выполнении программы. Обычно длина строки определяется в результате моделирования аппаратно-программной структуры системы .

После того как в КП накопится достаточно большой объем информации, увеличивается вероятность того, что формирование очередного адреса приведет к кэш-попаданию. Особенно велика вероятность этого при выполнении циклических участков программы.

Старая информация по возможности сохраняется в кэш -памяти. Ее замена на новую определяется емкостью, организацией и стратегией обновления кэша.

Типы кэш-памяти

Если каждая строка ОЗУ имеет только одно фиксированное место , на котором она может находиться в кэш -памяти, то такая кэш - память называется памятью с прямым отображением.

Предположим, что ОЗУ состоит из 1000 строк с номерами от 0 до 999, а кэш - память имеет емкость только 100 строк. В кэш -памяти с прямым отображением строки ОЗУ с номерами 0, 100, 200, . 900 могут сохраняться только в строке 0 КП и нигде иначе, строки 1, 101, 201, …, 901

ОЗУ - в строке 1 КП, строки ОЗУ с номерами 99, 199, …, 999 сохраняются в строке 99 кэш -памяти (рис. 4.2). Такая организация кэш -памяти обеспечивает быстрый поиск в ней нужной информации: необходимо проверить ее наличие только в одном месте. Однако емкость КП при этом используется не в полной мере: несмотря на то, что часть кэш -памяти может быть не заполнена, будет происходить вытеснение из нее полезной информации при последовательных обращениях, например, к строкам 101, 301, 101 ОЗУ .

Кэш - память называется полностью ассоциативной, если каждая строка ОЗУ может располагаться в любом месте кэш -памяти.

В полностью ассоциативной кэш -памяти максимально используется весь ее объем: вытеснение сохраненной в КП информации проводится лишь после ее полного заполнения. Однако поиск в кэш -памяти, организованной подобным образом, представляет собой трудную задачу.

Компромиссом между этими двумя способами организации кэш -памяти служит множественно-ассоциативная КП, в которой каждая строка ОЗУ может находиться по ограниченному множеству мест в кэш -памяти.

При необходимости замещения информации в кэш -памяти на новую используется несколько стратегий замещения. Наиболее известными среди них являются:

LRU - замещается строка, к которой дольше всего не было обращений;
FIFO - замещается самая давняя по пребыванию в кэш-памяти строка;
Random - замещение проходит случайным образом.

Последний вариант, существенно экономя аппаратные средства по сравнению с другими подходами, в ряде случаев обеспечивает и более эффективное использование кэш -памяти. Предположим, например, что КП имеет объем 4 строки, а некоторый циклический участок программы имеет длину 5 строк. В этом случае при стратегиях LRU и FIFO кэш - память окажется фактически бесполезной ввиду отсутствия кэш -попаданий. В то же время при использовании стратегии случайного замещения информации часть обращений к КП приведет к кэш -попаданиям.

Некоторые эвристические оценки вероятности кэш -промаха при разных стратегиях замещения (в процентах) представлены в табл. 4.1.

Анализ таблицы показывает, что:

увеличением емкости кэша, естественно, уменьшается вероятность кэш-промаха, но даже при незначительной на сегодняшний день емкости кэш-памяти в 16 Кбайт около 95 % обращений происходят к КП, минуя оперативную память;
чем больше степень ассоциативности кэш-памяти, тем больше вероятность кэш-попадания за счет более полного заполнения КП (время поиска информации в КП в данном анализе не учитывается);
механизм LRU обеспечивает более высокую вероятность кэш-попадания по сравнению с механизмом случайного замещения Random , однако этот выигрыш не очень значителен.

Соответствие между данными в оперативной памяти и в кэш -памяти обеспечивается внесением изменений в те области ОЗУ , для которых данные в кэш -памяти подверглись изменениям. Существует два основных способа реализации этих действий: со сквозной записью ( writethrough ) и с обратной записью ( write-back ).

При считывании оба способа работают идентично. При записи кэширование со сквозной записью обновляет основную память параллельно с обновлением информации в КП. Это несколько снижает быстродействие системы, так как микропроцессор впоследствии может вновь обратиться по этому же адресу для записи информации, и предыдущая пересылка строки кэш -памяти в ОЗУ окажется бесполезной. Однако при таком подходе содержимое соответствующих друг другу строк ОЗУ и КП всегда идентично. Это играет большую роль в мультипроцессорных системах с общей оперативной памятью.

Кэширование с обратной записью модифицирует строку ОЗУ лишь при вытеснении строки кэш -памяти, например, в случае необходимости освобождения места для записи новой строки из ОЗУ в уже заполненную КП. Операции обратной записи также инициируются механизмом поддержания согласованности кэш -памяти при работе мультипроцессорной системы с общей оперативной памятью.

Промежуточное положение между этими подходами занимает способ, при котором все строки, предназначенные для передачи из КП в ОЗУ , предварительно накапливаются в некотором буфере. Передача осуществляется либо при вытеснении строки, как в случае кэширования с обратной записью, либо при необходимости согласования кэш -памяти нескольких микропроцессоров в мультипроцессорной системе, либо при заполнении буфера. Такая передача проводится в пакетном режиме, что более эффективно, чем передача отдельной строки.

Кэш (англ. cache [1] , произносится kæʃ кЭш) — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий копию той информации, которая хранится в памяти с менее быстрым доступом, но с наибольшей вероятностью может быть оттуда запрошена. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из медленной памяти или их перевычисление, что делает среднее время доступа короче.

Содержание

История

Функционирование

Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.

Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдено записей, содержащих затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становятся доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.

Например, веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы, соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL — это идентификатор, а содержимое веб-страницы — это элементы данных.

Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения.

При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.

В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.

В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.

Кэш центрального процессора

Ряд моделей центральных процессоров (ЦП) обладают собственным кэшем, для того чтобы минимизировать доступ к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленнее, чем регистры. Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности, в случае когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты ЦП. Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты ЦП.

Уровни кэша

Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. Для универсальных процессоров — до 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости обращения и передаче данных, чем кэш-память уровня N.

Самой быстрой памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. Состоит из кэша команд и кэша данных. Некоторые процессоры без L1 кэша не могут функционировать. На других его можно отключить, но тогда значительно падает производительность процессора. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт (зачастую является возможным выполнять даже несколько чтений/записей одновременно). Латентность доступа обычно равна 2−4 тактам ядра. Объём обычно невелик — не более 128 Кбайт.

Вторым по быстродействию является L2-cache — кэш второго уровня. Обычно он расположен либо на кристалле, как и L1, либо в непосредственной близости от ядра, например, в процессорном картридже (только в слотовых процессорах). В старых процессорах — набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1−12 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 отличие от L1 кэша, его отключение может не повлиять на производительность системы. Однако, в задачах, связанных с многочисленными обращениями к ограниченной области памяти, например, СУБД, производительность может упасть в десятки раз.

Кэш третьего уровня наименее быстродействующий и обычно расположен отдельно от ядра ЦП, но он может быть очень внушительного размера — более 32 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании.

Отключение кэша второго и третьего уровней обычно используется в математических задачах, например, при обсчёте полигонов, когда объём данных меньше размера кэша. В этом случае, можно сразу записать все данные в кэш, а затем производить их обработку.

Ассоциативность кэша

Одна из фундаментальных характеристик кэш-памяти — уровень ассоциативности — отображает её логическую сегментацию. Дело в том, что последовательный перебор всех строк кэша в поисках необходимых данных потребовал бы десятков тактов и свёл бы на нет весь выигрыш от использования встроенной в ЦП памяти. Поэтому ячейки ОЗУ жёстко привязываются к строкам кэш-памяти (в каждой строке могут быть данные из фиксированного набора адресов), что значительно сокращает время поиска. С каждой ячейкой ОЗУ может быть связано более одной строки кэш-памяти: например, n -канальная ассоциативность (англ. n -way set associative ) обозначает, что информация по некоторому адресу оперативной памяти может храниться в n местах кэш-памяти.

При одинаковом объеме кэша схема с большей ассоциативностью будет наименее быстрой, но наиболее эффективной.

Кэширование внешних накопителей

Многие периферийные устройства хранения данных используют кэш для ускорения работы, в частности, жёсткие диски используют кэш-память от 1 до 32 Мбайт (модели с поддержкой

Применение кэширования внешних накопителей обусловлено следующими факторами:

скорость доступа процессора к оперативной памяти во много раз больше, чем к памяти внешних накопителей;
некоторые блоки памяти внешних накопителей используются несколькими процессами одновременно и имеет смысл прочитать блок один раз, затем хранить одну копию блока в оперативной памяти для всех процессов;
доступ к некоторым блокам оперативной памяти происходит гораздо чаще, чем к другим, поэтому использование кэширования для таких блоков в целом увеличивает производительность системы;
для некоторых блоков памяти внешних накопителей не требуется непосредственной записи после модификации, и использование кэша для таких блоков оптимизирует использование ввода-вывода.

Кэширование, выполняемое операционной системой

Кэш оперативной памяти состоит из следующих элементов:

набор страниц оперативной памяти, разделённых на буферы, равные по длине блоку данных соответствующего устройства внешней памяти;
набор заголовков буферов, описывающих состояние соответствующего буфера; , содержащей соответствие номера блока заголовку;
списки свободных буферов.

Алгоритм работы кэша с отложенной записью

Изначально все заголовки буферов помещаются в список свободных буферов. Если процесс намеревается прочитать или модифицировать блок, то он выполняет следующий алгоритм:

Алгоритм вытеснения

Если список свободных буферов пуст, то выполняется алгоритм вытеснения буфера. Алгоритм вытеснения существенно влияет на производительность кэша. Существуют следующие алгоритмы:

LRU (Least Recently Used) — вытесняется буфер, неиспользованный дольше всех;
MRU (Most Recently Used) — вытесняется последний использованный буфер;
LFU (Least Frequently Used) — вытесняется буфер, использованный реже всех;
ARC (англ.) (Adaptive Replacement Cache) — алгоритм вытеснения, комбинирующий LRU и LFU, запатентованный

Программное кэширование

Политика записи при кэшировании

При чтении данных кэш-память даёт однозначный выигрыш в производительности. При записи данных выигрыш можно получить только ценой снижения надёжности. Поэтому в различных приложениях может быть выбрана та или иная политика записи кэш-памяти..

Существуют две основные политики записи кэш-памяти — сквозная запись (write-through) и отложенная запись (write-back).

сквозная запись подразумевает, что при изменении содержимого ячейки памяти, запись происходит синхронно и в кэш и в основную память.

отложенная запись подразумевает, что можно отложить момент записи данных в основную память, а записать их только в кэш. При этом данные будут выгружены в оперативную память только в случае обращения к ним какого либо другого устройства (другой ЦП, контроллер DMA) либо нехватки места в кэше для размещения других данных. Производительность, по сравнению со сквозной записью, повышается, но это может поставить под угрозу целостность данных в основной памяти, поскольку программный или аппаратный сбой может привести к тому, что данные так и не будут переписаны из кэша в основную память. Кроме того, в случае кэширования оперативной памяти, когда используются два и более процессоров, нужно обеспечивать согласованность данных в разных кэшах.

Кэширование интернет-страниц

В процессе передачи информации по сети может использоваться кэширование интернет-страниц — процесс сохранения часто запрашиваемых документов на (промежуточных) прокси-серверах или машине пользователя, с целью предотвращения их постоянной загрузки с сервера-источника и уменьшения трафика. Таким образом, информация перемещается ближе к пользователю. Управление кэшированием осуществляется при помощи CMS конкретного сайта для снижения нагрузки на сервер при большой посещаемости. Кэширование может производится как в память, так и в файловый кэш (кэш на файлах).

Кэширование результатов работы

Многие программы записывают куда-либо промежуточные или вспомогательные результаты работы, чтобы не вычислять их каждый раз, когда они понадобятся. Это ускоряет работу, но требует дополнительной памяти (оперативной или дисковой). Примером такого кэширования является индексирование баз данных.

Для многих пользователей основополагающими критериями выбора процессора являются его тактовая частота и количество вычислительных ядер. А вот параметры кэш-памяти многие просматривают поверхностно, а то и вовсе не уделяют им должного внимания. А зря!

В данном материале поговорим об устройстве и назначении сверхбыстрой памяти процессора, а также ее влиянии на общую скорость работы персонального компьютера.

Предпосылки создания кэш-памяти

Любому пользователю, мало-мальски знакомому с компьютером, известно, что в составе ПК работает сразу несколько типов памяти. Это медленная постоянная память (классические жесткие диски или более быстрые SSD-накопители), быстрая оперативная память и сверхбыстрая кэш-память самого процессора. Оперативная память энергозависимая, поэтому каждый раз, когда вы выключаете или перезагружаете компьютер, все хранящиеся в ней данные очищаются, в отличие от постоянной памяти, в которой данные сохраняются до тех пор, пока это нужно пользователю. Именно в постоянную память записаны все программы и файлы, необходимые как для работы компьютера, так и для комфортной работы за ним.

Производительность процессора в любом компьютере всегда ограничена скоростью считывания из оперативной памяти.

Такое положение дел, конечно же, мало кого устраивает. Одним из вариантов решения проблемы могло бы стать размещение блока сверхбыстрой памяти непосредственно на теле кристалла процессора и, как следствие, его слаженная работа с вычислительным ядром. Но проблема, мешающая реализации этой идеи, кроется не в уровне технологий, а в экономической плоскости. Такой подход увеличит размеры готового процессора и существенно повысит его итоговую стоимость.

Как работает кэш-память

Как стало понятно из постановки задачи, данные должны поступать в процессор достаточно быстро. По меркам человека — это миг, но для вычислительного ядра — достаточно большой промежуток времени, и его нужно как можно эффективнее минимизировать. Вот здесь на выручку и приходит технология, которая называется кэш-памятью. Кэш-память — это сверхбыстрая память, которую располагают прямо на кристалле процессора. Извлечение данных из этой памяти не занимает столько времени, сколько бы потребовалось для извлечения того же объема из оперативной памяти, следовательно, процессор молниеносно получает все необходимые данные и может тут же их обрабатывать.

Кэш-память — это, по сути, та же оперативная память, только более быстрая и дорогая. Она имеет небольшой объем и является одним из компонентов современного процессора.

На этом преимущества технологии кэширования не заканчиваются. Помимо своего основного параметра — скорости доступа к ячейкам кэш-памяти, т. е. своей аппаратной составляющей, кэш-память имеет еще и множество других крутых функций. Таких, к примеру, как предугадывание, какие именно данные и команды понадобятся пользователю в дальнейшей работе и заблаговременная загрузка их в свои ячейки. Но не стоит путать это со спекулятивным исполнением, в котором часть команд выполняется рандомно, дабы исключить простаивание вычислительных мощностей процессора.

Спекулятивное исполнение — метод оптимизации работы процессора, когда последний выполняет команды, которые могут и не понадобиться в дальнейшем. Использование метода в современных процессорах довольно существенно повышает их производительность.

Временная локальность

Процессор смотрит, какие данные недавно содержались в его кэше, и снова помещает их в кэш. Все просто: высока вероятность того, что выполняя какие-либо задачи, пользователь, скорее всего, повторит эти же действия. Процессор подгружает в ячейки сверхбыстрой памяти наиболее часто выполняемые задачи и сопутствующие команды, чтобы иметь к ним прямой доступ и мгновенно обрабатывать запросы.

Пространственная локальность

Набор таких адресов называется строкой (блоком) кэша, а количество считанных данных — длиной кэша.

При пространственной локации процессор сначала ищет данные, загруженные в кэш, и, если их там не находит, то обращается к оперативной памяти.

Иерархия кэш-памяти

Любой современный процессор имеет в своей структуре несколько уровней кэш-памяти. В спецификации процессора они обозначаются как L1, L2, L3 и т. д.

Если провести аналогию между устройством кэш-памяти процессора и рабочим местом, скажем столяра или представителя любой другой профессии, то можно увидеть интересную закономерность. Наиболее востребованный в работе инструмент находится под рукой, а тот, что используется реже, расположен дальше от рабочей зоны.

Так же организована и работа быстрых ячеек кэша. Ячейки памяти первого уровня (L1) располагаются на кристалле в непосредственной близости от вычислительного ядра. Эта память — самая быстрая, но и самая малая по объему. В нее помещаются наиболее востребованные данные и команды. Для передачи данных оттуда потребуется всего около 5 тактовых циклов. Как правило, кэш-память первого уровня состоит из двух блоков, каждый из которых имеет размер 32 КБ. Один из них — кэш данных первого уровня, второй — кэш инструкций первого уровня. Они отвечают за работу с блоками данных и молниеносное обращение к командам.

Кэш второго и третьего уровня больше по объему, но за счет того, что L2 и L3 удалены от вычислительного ядра, при обращении к ним будут более длительные временные интервалы. Более наглядно устройство кэш-памяти проиллюстрировано в следующем видео.

Кэш L2, который также содержит команды и данные, занимает уже до 512 КБ, чтобы обеспечить необходимый объем данных кэшу нижнего уровня. Но на обработку запросов уходит в два раза больше времени. Кэш третьего уровня имеет размеры уже от 2 до 32 МБ (и постоянно увеличивается вслед за развитием технологий), но и его скорость заметно ниже. Она превышает 30 тактовых циклов.

Процессор запрашивает команды и данные, обрабатывая их, что называется, параллельными курсами. За счет этого и достигается потрясающая скорость работы. В качестве примера рассмотрим процессоры Intel. Принцип работы таков: в кэше хранятся данные и их адрес (тэг кэша). Сначала процессор ищет их в L1. Если информация не найдена (возник промах кэша), то в L1 будет создан новый тэг, а поиск данных продолжится на других уровнях. Для того, чтобы освободить место под новый тэг, информация, не используемая в данный момент, переносится на уровень L2. В результате данные постоянно перемещаются с одного уровня на другой.

Также при хранении одних и тех же данных могут задействоваться различные уровни кэша, например, L1 и L3. Это так называемые инклюзивные кэши. Использование лишнего объема памяти окупается скоростью поиска. Если процессор не нашел данные на нижнем уровне, ему не придется искать их на верхних уровнях кэша. В этом случае задействованы кэши-жертвы. Это полностью ассоциативный кэш, который используется для хранения блоков, вытесненных из кэша при замене. Он предназначен для уменьшения количества промахов. Например, кэши-жертвы L3 будут хранить информацию из L2. В то же время данные, которые хранятся в L2, остаются только там, что помогает сэкономить место в памяти, однако усложняет поиск данных: системе приходится искать необходимый тэг в L3, который заметно больше по размеру.

Итак, кэш-память процессора — очень важный параметр современного процессора. От количества уровней кэша и объема ячеек сверхбыстрой памяти на каждом из уровней, во многом зависит скорость и производительность системы. Особенно хорошо это ощущается в компьютерах, ориентированных на гейминг или сложные вычисления.

Кэш процессора — кэш, используемый процессором компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти. Является одним из верхних уровней иерархии памяти. Кэш использует небольшую, очень быструю память (обычно типа SRAM), которая хранит копии часто используемых данных из основной памяти. Если большая часть запросов в память будет обрабатываться кэшем, средняя задержка обращения к памяти будет приближаться к задержкам работы кэша. Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. В случае успеха проверки процессор производит операцию используя кэш, что значительно быстрее использования более медленной основной памяти. [1]

Содержание

Назначение кэш памяти

Процессор работает с данными, хранящимися в оперативной памяти. Однако скорость работы оперативной памяти и процессора существенно различаются: если бы процессор напрямую общался с оперативной памятью, то большую часть времени простаивал бы. Именно для сокращения задержек доступа к оперативной памяти и применяется кэшпамять, которая значительно более скоростная в сравнении с оперативной. Фактически если оперативная память используется для того, чтобы сгладить задержки доступа к данным на накопителе (HDD-диске, SSD-накопителе или флэшпамяти), то кэш процессора применяется для нивелирования задержек доступа к самой оперативной памяти. В этом смысле оперативную память можно рассматривать как кэш накопителя. Однако между оперативной памятью и кэшем процессора есть одно очень серьезное различие: кэш процессора полностью прозрачен для программиста, то есть нельзя адресовать программным образом находящиеся в нем данные.

Есть и другая причина, по которой необходимо использовать кэш как промежуточное звено между процессором и оперативной памятью. Дело в том, что процесс чтения и записи данных в оперативную память происходит не отдельными байтами, а пакетами, состоящими как минимум из четырех 64-разрядных ячеек. Это позволяет повысить эффективность работы памяти. Однако процессор загружает данные в свои регистры в виде байт, слов, двойных слов или даже четверных слов. В любом случае он не работает с пакетами данных. То есть минимальная единица информации, считываемая из оперативной памяти, всегда больше той минимальной единицы информации, с которой работает процессор. Возникает вопрос: если из памяти считывается целый пакет данных, а требуется, к примеру, только одно двухбайтовое слово, то куда девать все остальные байты? Отбрасывать их было бы крайне нерентабельно, поскольку велика вероятность, что если сейчас процессору требуются данные, расположенные по одному адресу в оперативной памяти, то в следующий момент он запросит данные, находящиеся по соседнему адресу. А потому считанный пакет данных из оперативной памяти нужно где-то временно сохранить, то есть требуется промежуточная память для временного хранения считываемых данных. Аналогично запись в оперативную память происходит пакетами данных, но эти пакеты нужно где-то предварительно сформировать, то есть опять-таки нужна временная память или кэш. [2]

Структура кэша

Система кэш-памяти процессора состоит из двух блоков - контроллера кэш-памяти и собственно самой кэш-памяти. Она представлена на рисунке 1.

Кэш память

Это место, где хранится содержание кэша. Кэш-память процессора изготавливают в виде микросхем статической памяти (Static Random Access Memory, сокращенно - SRAM). По сравнению с другими типами памяти, статическая память обладает очень высокой скоростью работы. Однако, эта скорость зависит также от объема конкретной микросхемы. Чем значительней объем микросхемы, тем сложнее обеспечить высокую скорость ее работы. Если такая особенность учтена производителем, то кэш-память процессора содержит несколько блоков, называемых уровнями. В большинстве процессоров используется трехуровневая система кэша:

Кэш-память первого уровня – очень маленькая, но самая быстрая микросхема памяти. Ее объем не превышает нескольких десятков килобайт. Работает она без каких-либо задержек. В ней содержатся данные, которые чаще всего используются процессором. Количество микросхем памяти, как правило, равно количеству его ядер. Каждое ядро имеет доступ только к своей микросхеме
Кэш-память второго уровня немного медленнее кэш-памяти первого, но и объем ее более существенный (около несколько сотен килобайт). Служит она для временного хранения важной информации, вероятность запроса которой ниже, чем у информации, находящейся в первом уровне
Кэш-память третьего уровня – еще более объемная, но и более медленная схема памяти. Тем не менее, она быстрее оперативной памяти. Ее размер может достигать нескольких десятков мегабайт. В отличие от 1 и 2 уровней, она является общей для всех ядер процессора. Служит для временного хранения важных данных с относительно низкой вероятностью запроса, а также для обеспечения взаимодействия ядер процессора между собой.

Контроллер кэш памяти

Это устройство, управляющее содержанием кэша, получением необходимой информации из оперативной памяти, передачей ее процессору, а также возвращением в оперативную память результатов вычислений. Когда ядро процессора обращается к контроллеру за какими-то данными, тот проверяет, есть ли эти данные в кэш-памяти. Если это так, ядру моментально отдается информация из кэша. В противном случае ядру приходится ожидать поступления данных из медленной оперативной памяти. Ситуация, когда в кэше не оказывается нужных данных, называется кэш-промахом. Задача контроллера – сделать так, чтобы кэш-промахи происходили как можно реже, а в идеале – чтобы их не было вообще.

Размер кэша процессора по сравнению с размером оперативной памяти несоизмеримо мал. В нем может находиться лишь копия крошечной части данных, хранимых в оперативной памяти. Но, не смотря на это, контроллер допускает кэш-промахи не часто. Эффективность его работы определяется несколькими факторами:

Размером и структурой кэш-памяти. Чем больше ресурсов имеет в своем распоряжении контроллер, тем ниже вероятность кэш-промаха
Эффективностью алгоритмов, по которым контроллер определяет, какая именно информация понадобится процессору в следующий момент времени
Сложностью и количеством задач, одновременно решаемых процессором. Чем сложнее задачи и чем их больше, тем чаще "ошибается" контроллер [3]

Организация кэш памяти

Теперь рассмотрим на примере, как устроен кэш. Пусть есть система с 32-разрядной адресацией памяти, то есть для задания адреса каждого байта памяти требуется 4-байтный адрес. Предположим, что наш кэш работает на уровне отдельных байтов, то есть может сохранять в качестве элемента байт оперативной памяти. Тогда каждый структурный элемент кэшпамяти должен сохранять не только байт данных оперативной памяти, но еще и его 4-байтный адрес в оперативной памяти. Получается уже некое подобие строки, которая называется кэшстрокой (cacheline). Адрес сохраняемого байта принято именовать тегом (tag). При чтении данных из кэша процессор формирует адрес, который сравнивается с тегом кэшстроки. В случае совпадения кэш выдает требуемый байт данных, если же совпадения адреса с тегом нет (кэшпромах) — производится обращение к оперативной памяти. Понятно, что для реализации данного механизма необходимо дополнить каждую строку кэша еще и устройством сравнения адреса с тегом (см. рисунок 2).

Для реализации политики замещения на основе алгоритма FIFO или LRU, необходимо, чтобы каждая строка кэша была дополнена счетчикам возраста. Причем сколько именно байт отводится под счетчик, зависит от того, каков размер кэша. Если, к примеру, описанный нами кэш имеет размер 64 Кбайт, то в нем должно быть 65 536 строк. Тогда необходимо к каждой строке кэша добавить еще двухбайтовое поле (216 = 65 536), чтобы реализовать счетчик возраста строк. Строка, к которой обращались в последнюю очередь, имеет возраст 0, а строка с самым поздним обращением — возраст 65 535. В описанном выше кэше объем полезной сохраняемой информации в шесть раз меньше полного объема кэша, поскольку на каждый байт хранимых данных приходится еще шесть служебных байт. Понятно, что такая структура кэша абсолютно нецелесообразна. Для того чтобы повысить объем полезной информации и одновременно уменьшить объем служебных данных, достаточно сохранять информацию в кэше не в виде отдельных байтов, а в виде блоков данных. То есть в каждой строке кэша будем сохранять не один байт данных, а блок данных фиксированного размера, идущих подряд в оперативной памяти, — он называется размером кэшстроки. Тегом строки будет адрес в оперативной памяти первого содержащегося в ней байта. Отметим, что блок сохраняемых данных в кэшстроке (то есть по сути сама кэшстрока) имеет строго фиксированный размер и является минимальной единицей информации, которая может быть считана из кэша или загружена в кэш. Размер кэшстроки может быть равен только степени двойки (2, 4, 8, 16 и так далее. см. рисунок 3). Как мы помним, чтение из оперативной памяти (равно как и запись в нее) происходит пакетом данных, а кэш работает только с кэшстроками. Поэтому адрес первого байта кэшстроки всегда кратен размеру пакета данных, то есть начало кэшстроки всегда совпадает с началом пакета данных. В рассмотренном нами кэше мы не учитывали биты модификации, которые также добавляются в каждой строке кэша и необходимы для поддержания когерентности.

Логически кэш-память представляет собой набор кэш-линий. Каждая кэш-линия хранит блок данных определенного размера и дополнительную информацию. Под размером кэш-линии понимают обычно размер блока данных, который в ней хранится. Для архитектуры x86 размер кэш линии составляет 64 байта.

Так вот суть кэширования состоит в разбиении RAM на кэш-линии и отображении их на кэш-линии кэш-памяти. Возможно несколько вариантов такого отображения.

Прямое отображение

Основная идея прямого отображения RAM на кэш-память состоит в следующем: RAM делится на сегменты, размер каждого сегмента равен размеру кэша, а каждый сегмент в свою очередь делится на блоки, размер каждого блока равен размеру кэш-линии (см. рисунок 5).

Блоки RAM из разных сегментов, но с одинаковыми номерами в этих сегментах, всегда будут отображаться на одну и ту же кэш-линию кэша.

Адрес каждого байта представляет собой сумму порядкового номера сегмента, порядкового номера кэш-линии внутри сегмента и порядкового номера байта внутри кэш-линии. Адреса байт различаются только старшими частями, представляющими собой порядковые номера сегментов, а порядковые номера кэш-линий внутри сегментов и порядковые номера байт внутри кэш-линий — повторяются. Таким образом нет необходимости хранить полный адрес кэш-линии, достаточно сохранить только старшую часть адреса. Тэг каждой кэш-линии как раз и хранит старшую часть адреса первого байта в данной кэш-линии.

Поиск в такой организации кэша будет строится следующим образом:. .

Извлекается средняя часть адреса, определяющая номер кэш-линии в кэше
Тэг кэш-линии с данным номером сравнивается со старшей частью адреса

Если было совпадение по одному из тэгов, то произошло кэш-попадание. Если не было совпадения ни по одному из тэгов, то произошел кэш-промах.

Полностью ассоциативное отображение

Основная идея полностью ассоциативного отображения RAM на кэш-память состоит в следующем: RAM делится на блоки, размер которых равен размеру кэш-линий, а каждый блок RAM может сохраняться в любой кэш-линии.

Адрес каждого байта представляет собой сумму порядкового номера кэш-линии и порядкового номера байта внутри кэш-линии. Отсюда следует, что адреса байт различаются только старшими частями, представляющими собой порядковые номера кэш-линий. Порядковые номера байт внутри кэш-линий повторяются.Тэг (tag) каждой кэш-линии хранит старшую часть адреса первого байта в данной кэш-линии.

Процедура поиска в такой организации заключается в сравнении тэгов всех кэш-линий со старшей частью адреса одновременно. Если было совпадение по одному из тэгов, то произошло кэш-попадание. Если не было совпадение ни по одному из тэгов, то произошел кэш-промах.

Наборно-ассоциативное отображение

Основная идея наборно-ассоциативного отображения RAM на кэш-память состоит в следующем: RAM делится также как и в прямом отображении, а сам кэш состоит из k кэшей, использующих прямое отображение.

Кэш-линии, имеющие одинаковые номера во всех каналах, образуют набор. Каждый набор представляет собой кэш, в котором используется полностью ассоциативное отображение. Блоки RAM из разных сегментов, но с одинаковыми номерами в этих сегментах, всегда будут отображаться на один и тот же набор кэша. Если в данном наборе есть свободные кэш-линии, то считываемый из RAM блок будет сохраняться в свободную кэш-линию, если же все кэш-линии набора заняты, то кэш-линия выбирается согласно используемому алгоритму замещения.

Многоуровневая организация

Одной из проблем является отсутствие баланса между задержками кэша и интенсивностью попаданий. Большие кэши имеют более высокий процент попаданий, но и большую задержку. Чтобы ослабить противоречие между этими двумя параметрами, большинство компьютеров использует несколько уровней кэша, когда после маленьких и быстрых кэшей находятся более медленные большие кэши (в настоящий момент — до 3 уровней в иерархии кэшей).

Многоуровневые кэши обычно работают в последовательности от меньших кэшей к большим. Сначала происходит проверка наименьшего и наибыстрейшего кэша первого уровня, в случае попадания процессор продолжает работу на высокой скорости. Если меньший кэш дал промах, проверяется следующий, чуть больший и более медленный кэш второго уровня, и так далее, пока не будет запроса к основному ОЗУ. Ниже представлен пример такой работы на примере двухуровневой организации:

Рис.10 Данные считываются из кэша 1 уровня

Рис.11 Данные считываются из кэша 2 уровня

Рис.12 Чтение из ОЗУ

Для многоуровневых кэшей требуется делать новые архитектурные решения. В некотором процессоре могут потребовать, чтобы все данные, хранящиеся в кэше 1 уровня, хранились также и в кэше 2 уровня. Такие пары кэшей называют строго инклюзивными (включительными). Другие процессоры могут не иметь подобного требования, тогда кэши называются эксклюзивными (исключительными) — данные могут быть либо в кэше 1 уровня, либо в кэше 2 уровня, но никогда не могут быть одновременно в обоих.

Преимущество исключительных кэшей в том, что они хранят больше данных. Это преимущество больше, когда исключительный кэш 1 уровня сопоставим по размеру с кэшэм 2 уровня, и меньше, если кэш 2 уровня во много раз больше, чем кэш 1 уровня. Когда 1 уровень пропускает и 2 уровень получает доступ в случае попадания, строка кэша попадания в кэшэ 2 уровня обменивается со строкой с 1 уровнем. [4]

Кэш-память — хранилище для часто используемой информации, доступ к которому осуществляется намного быстрее по сравнению с оперативной памятью или жестким диском компьютера. Рассматриваемая технология базируется на подсистеме компьютерной памяти. Главным предназначением является ускорение работы устройства. Даже если ПК обладает непроизводительным процессором, благодаря кэшированию информации скорость выполнения задач существенно повышается.

Кэш-памятью оборудованы главные элементы компьютера — жесткие диски, видеокарты, процессоры. Архитектура и работа технологии способны отличаться. Например, кэш может служить обычным буфером обмена — устройство обрабатывает информацию и передает полученные данные в специальный буфер, из которого результат поступает на интерфейс. Назначением такого кэша является предотвращение ошибок благодаря аппаратной проверке информации на целостность.

Кэш процессора

Современный процессор обладает несколькими основными уровнями кэш-памяти, нередко называемыми сверхоперативной памятью. На кристалле находится несколько аппаратных модулей. Самым меньшим по размеру является Cache Level 1, объем которого способен варьироваться от 32 до 64 Кб в зависимости от процессора. L2 обладает повышенной емкостью — от 128 Кб до 12 Мб. L3 считается самым объемным (до 40 Мб) и самым медленным.

Кэш процессора

Сверхоперативная память необходима для хранения часто используемой информации, поступающей из ОЗУ. Сегодня производители устанавливают больше трех уровней кэширования для обеспечения производительной работы компьютера. Например, компания Intel смогла реализовать дополнительный уровень кэша 0 для краткосрочного хранения расшифрованных команд. В производительных ЦП встречается сверхоперативная память 4 уровня, расположенная в отдельной микросхеме.

Кэш жесткого диска

В жестких дисках присутствует специализированная оперативная память, выступающая в качестве промежуточного звена для хранения информации. Она предназначена для краткосрочного хранения данных, считанных с носителя, но не поступивших на обработку. Необходимость использования кэша обусловлена разницей в скорости между различными компьютерными компонентами. Сегодня популярны модели дисков с объемом кэша от 32 до 64 Мб.

Кэш жесткого диска

Программный кэш

Представляет собой директорию на жестком диске компьютера, создаваемую программами для непродолжительного хранения информации. Например, браузер сохраняет страницы, просмотренные пользователем. При повторном переходе по введенному адресу браузер сначала обращается к кеш-памяти, чтобы ускорить загрузку страницы и одновременно уменьшить потребление трафика. Размер папки способен варьироваться от разновидности программного обеспечения.

Программный кэш

Кэш-память смартфона

Современные мобильные телефоны тоже обладают кэш-памятью. Она представляет собой место хранения информации приложений. Данные записываются в специальную директорию, позволяющую быстро вернуться к просмотру файлов. Наглядный пример использования кэша — работа с галереей. После просмотра фотографий устройство сохраняет уменьшенные копии изображений. Также краткосрочная память вмещает настройки приложений, отчеты и загруженные веб-ресурсы.

Кэш-память смартфона

Если кэш-память телефона будет перегружена, пользователь заметит существенное замедление работы мобильного устройства. Могут даже возникнуть программные ошибки, а некоторые приложения иногда отказываются запускаться. Для решения проблемы рекомендуется выполнить очистку кэша смартфона. Вот подробная инструкция.

Основным предназначением кэш-памяти является ускорение устройства и краткосрочное хранение информации. Модули кэш-памяти встречаются в жестких дисках, центральных процессорах и видеокартах. Также соответствующей технологией обладают смартфоны. Для обеспечения стабильной работы устройства пользователю рекомендуется периодически очищать память в настройках операционной системы телефона — такая процедура часто улучшает быстродействие.

Читайте также: