Сколько уровней кэша есть в персональных компьютерах. Что такое кэш, зачем он нужен и как работает. Что такое кэш процессора
Одним из немаловажных факторов повышающих производительность процессора, является наличие кэш-памяти, а точнее её объём, скорость доступа и распределение по уровням.
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.
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.
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.
Речь идет не о наличности, а о кэш -памяти процессоров и не только. Из объема кэш -памяти торгаши сделали очередной коммерческий фетиш, в особенности с кэшем центральных процессоров и жестких дисков (у видеокарт он тоже есть – но до него пока не добрались). Итак, есть процессор ХХХ с кэшем L2 объемом 1Мб, и точно такой же процессор XYZ с кэшем объемом 2Мб. Угадайте какой лучше? Аа – вот не надо так сразу!
Кэш -память – это буфер, куда складывается то, что можно и/или нужно отложить на потом. Процессор выполняет работу и возникают ситуации, когда промежуточные данные нужно где-то сохранить. Ну конечно в кэше! – ведь он на порядки быстрее, чем оперативная память, т.к. он в самом кристалле процессора и обычно работает на той же частоте. А потом, через какое то время, эти данные он выудит обратно и будет снова их обрабатывать. Грубо говоря как сортировщик картошки на конвейере, который каждый раз, когда попадается что-то другое кроме картошки (морковка ) , бросает ее в ящик. А когда тот полон – встает и выносит его в соседнюю комнату. В этот момент конвейер стоит и наблюдается простой. Объем ящика и есть кэш в данной аналогии. И сколько его надо – 1Мб или 12? Понятно, что если его объем мал придется слишком много времени уделят выносу и будет простой, но с какого то объема его дальнейшее увеличение ничего не даст. Ну будет ящик у сортировщика на 1000кг морковки – да у него за всю смену столько ее не будет и от этого он НЕ СТАНЕТ В ДВА РАЗА БЫСТРЕЕ! Есть еще одна тонкость – большой кэш может вызывать увеличение задержек обращения к нему во-первых, а заодно повышается и вероятность возникновения ошибок в нем, например при разгоне – во-вторых. (о том КАК в этом случае определить стабильность/нестабильность процессора и выяснить что ошибка возникает именно в его кэше, протестировать L1 и L2 – можно прочесть тут.) В-третьих – кэш выжирает приличную площадь кристалла и транзисторный бюджет схемы процессора. То же самое касается и кэш памяти жестких дисков. И если архитектура процессора сильная – у него будет востребовано во многих приложениях 1024Кб кэша и более. Если у вас быстрый HDD – 16Мб или даже 32Мб уместны. Но никакие 64Мб кэша не сделают его быстрее, если это обрезок под названием грин версия (Green WD) с частотой оборотов 5900 вместо положеных 7200, пусть даже у последнего будет и 8Мб. Потом процессоры Intel и AMD по-разному используют этот кэш (вообще говоря AMD более эффективно и их процессоры часто комфортно довольствуются меньшими значениями). Вдобавок у Intel кэш общий, а вот у AMD он персональный у каждого ядра. Самый быстрый кэш L1 у процессоров AMD составляет по 64Кб на данные и инструкции, что вдвое больше, чем у Intel. Кэш третьего уровня L3 обычно присутствует у топовых процессоров наподобие AMD Phenom II 1055T X6 Socket AM3 2.8GHz или у конкурента в лице Intel Core i7-980X. Прежде всего большие объемы кэша любят игры. И кэш НЕ любят многие профессиональные приложения (см. Компьютер для рендеринга, видеомонтажа и профприложений). Точнее наиболее требовательные к нему вообще равнодушны. Но чего точно не стоит делать, так это выбирать процессор по объему кэша. Старенький Pentium 4 в последних своих проявлениях имел и по 2Мб кэша при частотах работы далеко за 3ГГц – сравните его производительность с дешевеньким двуядерничком Celeron E1***, работающим на частотах около 2ГГц. Он не оставит от старичка камня на камне. Более актуальный пример – высокочастотный двухъядерник E8600 стоимостью чуть не 200$ (видимо из-за 6Мб кэша) и Athlon II X4-620 2,6ГГц, у которого всего 2Мб. Это не мешает Атлону разделать конкурента под орех.
Как видно на графиках – ни в сложных программах, ни в требовательных к процессору играх никакой кэш не заменит дополнительных ядер. Athlon с 2Мб кэша (красный) легко побеждает Cor2Duo с 6Мб кэша даже при меньшей частота и чуть не вдвое меньшей стоимости. Так же многие забывают, что кэш присутствует в видеокартах, потому что в них, вообще говоря, тоже есть процессоры. Свежий пример видеокарта GTX460, где умудряются не только порезать шину и объем памяти (о чем покупатель догадается) – но и КЭШ шейдеров соответственно с 512Кб до 384Кб (о чем покупатель уже НЕ догадается). А это тоже добавит свой негативный вклад в производительность. Интересно еще будет выяснить зависимость производительности от объема кэша. Исследуем как быстро она растет с увеличением объема кэша на примере одного и того же процессора. Как известно процессоры серии E6*** , E4*** и E2*** отличаются только объемом кэша (по 4, 2 и 1 Мб соответственно). Работая на одинаковой частоте 2400МГц они показывают следующие результаты.
Как видно – результаты не слишком отличаются. Скажу больше – если бы участвовал процессор с объемом 6Мб – результат увеличился бы еще на чуть-чуть, т.к. процессоры достигают насыщения. А вот для моделей с 512Кб падение было бы ощутимым. Другими словами 2Мб даже в играх вполне достаточно. Резюмируя можно сделать такой вывод – кэш это хорошо, когда УЖЕ много всего остального. Наивно и глупо менять скорость оборотов винчестера или количество ядер процессора на объем кэша при равной стоимости, ибо даже самый емкий ящик для сортировки не заменит еще одного сортировщика Но есть и хорошие примеры.. Например Pentium Dual-Core в ранней ревизии по 65-нм процессу имел 1Мб кэша на два ядра (серия E2160 и подобные), а поздняя 45-нм ревизия серии E5200 и дальше имеет уже 2Мб при прочих равных условиях (а главное – ЦЕНЕ). Конечно же стоит выбирать именно последний.
Кэш центрального процессора
Функционирование
Диаграмма кэша памяти ЦПУ
Кэш - это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее «основная память»). Кэширование применяется ЦПУ , жёсткими дисками , браузерами и веб-серверами .
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 кэше с отложенной записью (или обратной записью ) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный» ). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.
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 процессора - специальная память внутри процессора для ускорения обращения к оперативной памяти. Иногда кэш процессора называют сверхоперативной памятью, потому что доступ к ней происходит за очень маленькое время. Обычно кэш в процессорах делают на основе классических триггеров - так называемой статической памяти (SRAM). Для примера, оперативная память построена на основе конденсаторов, которые время от времени подзаряжаются. Тригеры обеспечивают практически мгновенный доступ к себе, но у них есть два главных недостатка:
Уровни кэша процессора
В современных процессорах кэш делится на несколько уровней
Алгоритм работы кэш памяти
Алгоритмом работы кэша управляет специальный контроллер, расположенный в процессоре. Он может динамически менять свою схему работы, в зависимости от обстоятельств. Но общий алгоритм кэша таков:
Когда процессор делает запрос на чтение, контроллер кэша ищет значение в кэше и если оно найдено, отправляет его процессору. Если значение не найдено, то контроллер отправляет запрос дальше: или кэшу более низкого уровня, или в оперативную память. После чтения значения с более низкого уровня, кэш добавляет это значение себе и при следующем обращении - сразу отдаст его процессору.
Когда процессор делает запрос на запись в оперативную память, то контроллер кэша обновляет значение у себя и передает его дальше - на более низкие уровни. В конце концов значение оказывается в оперативной памяти. По такому алгоритму обычно работает кэш на запись. Можно конечно сохранять значение только к кэше, но тогда остальные компоненты (например, DMA - прямой доступ к памяти) при доступе к оперативной памяти рискуют получить устаревшее значение.
Частота работы кэш-памяти
Поскольку SRAM память модут работать на очень болших частотах, кэш-память процессора обычно работает на той же частоте, что и сам процессор. Это дополнительно увеличивает скорость работы с этим видом памяти.
Интеллектуальная кэш-память
Современные кэш-контроллеры умеют угадывать, к каким ячейкам памяти процессор скоро обратиться и заранее загружает из в кэш. Например, если процессор обратился к ячейке 42, затем к 43, то высока вероятность того, что третье обращение будет к ячейке 44. Поэтому контроллер заранее загружает значение ячейки 44 себе в сверхбыструю память.
Первый кэш
Некоторое подобие кэша было еще в процессоре 8086. В нем было 6 байт кэша команд. Небольшое количество, без больших интеллектуальных способностей, но он значительно повышал быстродействие системы. Но настоящий кэш стал использоваться с процессором 80386. В те времена для обращения к оперативной памяти нужно было 120 нс времени. Но рядом с процессором ставили специальную микросхему кэш-памяти и доступ к ней просходил в 12 раз быстрее, чем к оперативной памяти. Но эта память (SRAM) была достаточно дорогой и ставить микросхему кэш памяти большого объема было нерентабельно. Поэтому первые кэши процессора были ограничены объемом 64 килобайт и устанавливались они отдельно. Начиная с процесора 80486 кэш процессора стал оправдывать свое название, потому что устанавливался прямо в процессоре.
Место установки кэша
Как уже было сказано выше, в процессоре 80386 не было внутреннего кэша. Кэш устанавливался отдельной микросхемой на материнской плате. В компьютерах на базе процессора 80486 как к прежде на материнской плате размещался кэш, но это был второй уровень. Первый уровень кэша устанавливался прямо в процессоре . С течением времени и развитием технологии изготовления микросхем кэш процессора полностью переехал в процессор, как и контроллер оперативной памяти.
Кэш процессора является эффективным способом увеличить производительность процессора, за счет увеличения скорости работы с оперативной памятью .
Все процессоры с конца 90-х годов имеют внутреннюю кэш-память (или просто кэш). Кэш — это быстродействующая память, в которую переносятся команды и данные, непосредственно обрабатываемые процессором.
В современных процессорах встроена кэш-память двух уровней — первого (L1) и второго (L2). С содержимым кэша L1 процессор работает несколько быстрее, а объем кэша L2 обычно несколько больше. Обращение к кэш-памяти происходит без состояния ожидания, т.е. кэш-память первого уровня (встроенный кэш) работает на частоте процессора.
Это означает, что если данные, необходимые процессору, находятся в кэш-памяти, то задержек с обработкой не возникает. В противном случае процессор должен получить данные из основной памяти, что существенно уменьшает быстродействие системы.
Для того чтобы качественно разобраться с принципом работы кэшпамяти обоих уровней, рассмотрим на примере бытовую ситуацию.
Вы приходите в кафе пообедать ежедневно, в одно и то же время, и садитесь всегда за один и тот же столик. Всегда заказываете стандартный набор из трех блюд.
Официант бегает на кухню, повар их раскладывает на поднос и затем вам приносят заказ. И вот, скажем, на третий день официант, чтобы лишний раз не бегать на кухню, к назначенному времени встречает вас с уже готовым горячим обедом на подносе.
Вы не ждете заказ и сэкономили массу времени. Поднос с вашими блюдами — это и есть кэш первого уровня. Но на четвертый день вам вдруг захотелось добавить еще одно блюдо, допустим, десерт.
Хотя вас в назначенное время уже ждал поднос с заказом, но за десертом официанту все равно пришлось бежать на кухню.
А на пятый — снова меню из трех наименований. На шестой — опять десерт, но отличающийся от предыдущего. И официант, не зная, что вы из десерта захотите заказать (да и вообще не зная, будете ли вы что-либо заказывать), решается на следующий шаг: рядом с вашим столиком ставит шкафчик с несколькими наименованиями десерта.
И если вы изъявите желание, все под рукой, на кухню бежать не надо. Шкафчик с десертом — это кэш второго уровня.
От объема кэша L1 (от 16 до 128 Кбайт) и L2 (от 64 Кбайт до 512 Кбайт, в Pentium III Хеоп и AMD Opteron до 4 Мбайт) существенно зависит производительность процессора.
У процессоров Intel Pentium III и процессоров Celeron на его основе размер кэша L1 составляет 32 Кбайт. У Intel Pentium 4, а также на его базе Celeron и Хеоп-версий — всего 20 Кбайт. Процессоры AMD Duron, Athlon (включая ХР/МР) и Opteron, а также VIA СЗ содержат 128 Кбайт L1 кэша.
Современные двухъядерные процессоры имеют кэш первого уровня для каждого ядра в отдельности, поэтому иногда в описании кэша мы можем встретить цифру 128×2. Это означает, что каждое ядро процессора обладает 128 Кбайт кэш-памяти первого уровня.
Размер кэша L1 важен для получения высокой производительности в большинстве распространенных задач (офисные приложения, игры, большинство серверных приложений и т.п.). Особенно сильно его эффективность проявляется для поточных вычислений (например, обработка видеоизображения).
Это одна из причин того, что Pentium 4 относительно малоэффективен для большинства распространенных применений (хотя это компенсируется высокой тактовой частотой). Кэш L1 всегда работает (обменивается информацией с ядром процессора) на внутренней частоте процессора.
В отличие от него, кэш L2 в разных моделях процессоров работает с разной частотой (и соответственно производительностью). Начиная с Intel Pentium II во многих процессорах применялся кэш L2, работающий на частоте, вполовину меньшей, чем внутренняя частота процессора.
Такое решение использовано в устаревших процессорах Intel Pentium III (до 550 МГц) и устаревших AMD Athlon (в некоторых из них внутренний кэш L2 работал на трети частоты ядра процессора). Объем кэша L2 также различен для разных процессоров.
В устаревших, а также некоторых более новых процессорах Intel Pentium III объем кэша L2 составляет 512 Кбайт, в остальных Pentium III — 256 Кбайт. Процессор Intel Celeron на основе Pentium III выпускался с 128 и 256 Кбайт кэша L2, а на основе Pentium 4 — только со 128 Кбайт. В различных вариантах Xeon-версии Intel Pentium 4 присутствует до 4 Мбайт кэш-памяти L2.
В новых процессорах Pentium 4 (некоторые серии с частотой 2000 МГц и все — для частот выше) имеется 512 Кбайт кэша L2, в остальных Pentium 4 -256 Кбайт. В процессорах Хеоп (на основе Pentium 4) бывает 256 или 512 Кбайт кэша L2.
Кроме того, в них присутствует еще кэш-память третьего уровня L3. Интегрированная кэш-память L3 в сочетании с быстрой системной шиной формирует высокоскоростной канал обмена данными с системной памятью.
Как правило, кэш-памятью третьего уровня L3 комплектуются только процессоры для серверных решений или специальные модели «настольных» процессоров. Кэш-памятью L3 обладают, например, такие линейки процессоров, как Xeon DP, Itanium 2, Xeon MP.
Процессор AMD Duron имеет 128 Кбайт кэша L1 и 64 Кбайт кэша L2. В процессорах Athlon (кроме наиболее старых), Athlon MP и большинстве вариантов Athlon ХР присутствует 128 Кбайт кэша L1 и 256 Кбайт кэша L2, а в новейших Athlon ХР (2500+, 2800+, 3000+ и выше) — 512 Кбайт кэша L2. AMD Opteron содержит 1 Мбайт кэш-памяти L2.
Последние модели процессоров Intel Pentium D, Intel Pentium M, Intel Core 2 Duo выпускаются с 6 Мбайт кэш-памяти L2, a Core 2 Quad — 12 Мбайт кэш-памяти L2.
Последний на момент написания данной книги процессор фирмы Intel Core i7 обладает 64 Кбайт кэш-памяти L1 для каждого из 4 ядер, а также 256 Кбайт памяти L2 также для каждого ядра. Помимо кэш памяти первого и второго уровней процессор обладает и общей для всех ядер кэш-памятью третьего уровня, равной 8 Мбайт.
Для процессоров, у которых возможен разный размер кэша L2 (или в случае Intel Xeon MP — L3) у одной и той же модели, этот размер должен быть указан при продаже (от него, разумеется, зависит цена процессора). Если процессор продается в «коробочной» упаковке (поставка In-Box), на ней обычно указывается размер кэш-памяти.
Для обычных пользовательских задач (в том числе игр) важнее скорость кэша L2, чем его объем; для серверных задач, наоборот, важнее объем. Наиболее продуктивные серверы, особенно с большим объемом оперативной памяти (несколько гигабайт), требуют максимального объема и максимальной скорости кэша L2.
Непревзойденными по этим параметрам остаются Хеоп-версии процессоров Pentium III. (Процессор Xeon MP оказывается все же более производительны в серверных задачах, чем Pentium III Xeon, за счет более высокой тактовой частоты самого процессора и шины обмена информацией с памятью.) Из изложенного выше сделаем вывод: кэш-память улучшает взаимодействие между быстрым процессором и более медленной оперативной памятью, а также позволяет минимизировать периоды ожидания, возникающие при обработке данных. Решающую роль в этом играет кэш-память второго уровня, расположенная в кристалле процессора.
