CPU Cache چیست؟
Cache L1 ، L2 و L3 چیست؟
در سال های اخیر پردازنده های کامپیوتری بسیار پیشرفت کرده اند. ترانزیستورها هر ساله کوچکتر می شوند ، وقتی صحبت از پردازنده می شود ، فقط ترانزیستورها و فرکانس ها نیستند بلکه حافظه پنهان نیز در نظر گرفته می شوند.
ممکن است هنگام بحث در مورد پردازنده های مرکزی (Cpu) ، در مورد حافظه نهان شنیده باشید. با این حال ، ما به مدل و شماره حافظه نهان پردازنده توجه کافی نشان نمی دهیم .
بنابراین ، حافظه پنهان پردازنده دقیقاً چقدر مهم است و چگونه کار می کند؟
حافظه نهان پردازنده چیست؟
به زبان ساده ، حافظه پنهان پردازنده یک نوع حافظه بسیار سریع است. در ابتدا سرعت پردازنده و سرعت حافظه کم بود. با این حال ، در طول دهه ۱۹۸۰ ، سرعت پردازنده شروع به افزایش کرد. حافظه سیستم در آن زمان (RAM) نمی توانست با افزایش سرعت پردازنده کنار بیاید یا مطابقت داشته باشد ، بنابراین نوع جدیدی از حافظه فوق سریع تولید شد به نام حافظه نهان پردازنده
پس بنابراین کامپیوتر شما دارای چندین نوع حافظه در داخل خود است.
- حافظه اصلی مانند دیسک سخت یا SSD وجود دارد که قسمت عمده ای از داده ها را ذخیره می کند – سیستم عامل و برنامه ها.
- در مرحله بعدی ، حافظه دسترسی تصادفی داریم که معمولاً با نام RAM شناخته می شود. Ram سریعتر از حافظه اصلی است اما فقط یک ذخیره سازی کوتاه مدت است. کامپیوتر و برنامه های موجود در آن از حافظه RAM برای ذخیره داده هایی که به طور مکرر قابل دسترسی هستند ، استفاده می کنند و به شما کمک می کنند عملکردها در رایانه شما خوب و سریع انجام شود.
- در آخر ، پردازنده حتی دارای واحد حافظه سریعتری در درون خود است که به عنوان حافظه پنهان CPU شناخته می شود.
حافظه کامپیوتر براساس سرعت عملیاتی خود دارای یک سلسله مراتب است. حافظه نهان پردازنده در بالای این سلسله مراتب قرار دارد ، که سریع ترین نوع حافظه است . همچنین نزدیکترین قسمت به پردازش مرکزی است که در واقع بخشی از CPU است.
CPU Cache چگونه کار می کند؟
برنامه ها در کامپیوتر شما به عنوان مجموعه ای از دستورالعمل ها طراحی شده اند که پردازنده مرکزی آنها را تفسیر و اجرا می کند. هنگام اجرای یک برنامه ، دستورالعمل ها از حافظه اصلی (هارد دیسک شما) به CPU راه می یابند. اینجاست که سلسله مراتب حافظه وارد عمل می شود.
داده ها ابتدا در RAM بارگیری می شوند و سپس به CPU ارسال می شوند. این روزها پردازنده ها قادر به انجام دستورات عظیم در هر ثانیه هستند. برای استفاده کامل از توان خود ، CPU نیاز به دسترسی به حافظه فوق العاده سریع دارد ، جایی که حافظه نهان پردازنده وارد می شود.
کنترل کننده حافظه ، داده ها را از RAM گرفته و به حافظه نهان پردازنده می فرستد. بسته به پردازنده شما ، کنترلر در CPU یا چیپ ست Northbridge موجود در مادربرد شما یافت می شود.
سطح حافظه نهان پردازنده: L1 ، L2 و L3
حافظه پنهان پردازنده به سه سطح L1 ، L2 و L3 تقسیم می شود. سلسله مراتب حافظه دوباره با توجه به سرعت و اندازه حافظه پنهان است.
حافظه پنهان L1
حافظه پنهان L1 (سطح ۱) سریعترین حافظه ای است که در سیستم کامپیوتر وجود دارد. از نظر اولویت دسترسی ، حافظه پنهان L1 دارای داده هایی است که پردازنده به احتمال زیاد هنگام انجام یک کار خاص به آن نیاز دارد.
اندازه حافظه نهان L1 به CPU بستگی دارد. برخی از پردازنده های سطح بالای مصرف کننده هم اکنون از حافظه پنهان ۱ مگابایتی L1 مانند Intel i9-9980XE بهره می برند ، اما هزینه این پردازنده ها بسیار زیاد است و هنوز هم بسیار کم هستند. برخی از چیپ ست های سرور ، مانند محدوده Xeon اینتل ، از حافظه پنهان ۱-۲MB L1 نیز برخوردار هستند.
اندازه حافظه پنهان L1 “استاندارد” وجود ندارد ، بنابراین قبل از خرید باید مشخصات پردازنده را بررسی کنید تا اندازه حافظه نهان حافظه L1 دقیق اطلاع داشته باشید .
حافظه پنهان L1 معمولاً به دو بخش حافظه پنهان دستورالعمل و حافظه نهان داده تقسیم می شود. حافظه نهان دستورالعمل با اطلاعات مربوط به عملیاتی که پردازنده باید انجام دهد سروکار دارد ، در حالی که حافظه نهان داده ای ، داده هایی را که قرار است عملیات بر روی آنها انجام شود در خود نگه می دارد.
حافظه پنهان L2
حافظه نهان L2 (سطح ۲) کندتر از حافظه نهان L1 است اما اندازه آن بزرگتر است. در مواردی که حافظه پنهان L1 بر حسب کیلوبایت اندازه گیری می شود ، حافظه پنهان حافظه L2 مدرن در مگابایت اندازه گیری می شود. به عنوان مثال ، AMD دارای Ryzen 5 5600X دارای امتیاز بالا دارای ۳۸۴KB L1 cache و ۳MB L2 cache (به علاوه ۳۲MB L3 cache) است.
اندازه حافظه نهان L2 بسته به پردازنده متفاوت است ، اما اندازه آن معمولاً بین ۲۵۶ کیلوبایت تا ۸ مگابایت است. اکثر پردازنده های مدرن بیش از ۲۵۶KB حافظه نهان L2 بسته بندی می شوند و اکنون این اندازه کوچک در نظر گرفته شده است. بعلاوه ، برخی از پردازنده های قدرتمند مدرن دارای حافظه پنهان L2 بزرگتر ، بیش از ۸ مگابایت هستند.
وقتی نوبت به سرعت می رسد ، حافظه نهان L2 از حافظه نهان L1 عقب می ماند اما هنوز بسیار سریعتر از RAM سیستم شما است. حافظه نهانگاه L1 معمولاً ۱۰۰ برابر سریعتر از حافظه نهانگاه شما است ، در حالی که حافظه نهانگاه L2 حدود ۲۵ برابر سریعتر است.
حافظه پنهان L3
در روزهای اولیه ، حافظه پنهان L3 در واقع در مادربرد یافت می شد. این خیلی مدت پیش بود ، زمانی که بیشتر پردازنده های مرکزی فقط پردازنده های تک هسته ای بودند. اکنون حافظه پنهان L3 در پردازنده شما می تواند عظیم باشد ، با پردازنده های سطح بالا مصرف کننده دارای حافظه پنهان L3 تا ۳۲ مگابایت هستند. برخی از حافظه پنهان CPU L3 سرور می توانند بیش از این حافظه پنهان باشند ، حداکثر ۶۴ مگابایت.
حافظه پنهان L3 بزرگترین حافظه نهان حافظه نهان است. پردازنده های مدرن شامل حافظه نهان L3 روی خود پردازنده هستند. اما در حالی که حافظه نهان L1 و L2 برای هر هسته روی تراشه وجود دارد ، حافظه نهان L3 بیشتر به یک حافظه حافظه عمومی شباهت دارد که کل تراشه می تواند از آن استفاده کند.
تصویر زیر سطح حافظه پردازنده را برای پردازنده Intel Core i5-3570K نشان می دهد:
به چه میزان حافظه نهان پردازنده نیاز داریم؟
سوال خوبی است همانطور که معلوم است هر چقدر بی. جدیدترین پردازنده ها به طور طبیعی حافظه پنهان پردازنده بیشتری را نسبت به نسل های قدیمی تر شامل حافظه پنهان سریع تر نیز می کنند. یک کاری که می توانید انجام دهید این است که یاد بگیرید چگونه CPU ها را به طور موثر مقایسه کنید. اطلاعات زیادی در این زمینه وجود دارد و یادگیری نحوه مقایسه و تقابل پردازنده های مختلف می تواند به شما در تصمیم گیری صحیح در خرید کمک کند.
چگونه داده ها بین حافظه نهان پردازنده جابه جا می شوند؟
سوال بزرگ: حافظه نهان پردازنده چگونه کار می کند؟
در ابتدایی ترین اصطلاحات ، داده ها از RAM به حافظه نهان L3 و سپس L2 و در نهایت L1 منتقل می شوند. وقتی پردازنده به دنبال داده برای انجام عملیاتی است ، ابتدا سعی می کند آن را در حافظه نهان L1 پیدا کند. اگر CPU آن را پیدا کند ، به این حالت cache hit گفته می شود. سپس پیدا کردن آن در L2 و سپس L3 ادامه می یابد.
اگر CPU داده های موجود در هیچ یک از حافظه های پنهان را پیدا نکند ، سعی در دسترسی به آنها از حافظه سیستم (RAM) شما دارد. وقتی این اتفاق می افتد ، به عنوان یک حافظه پنهان شناخته می شود.
اکنون ، همانطور که می دانیم ، حافظه پنهان برای سرعت بخشیدن به جلو و عقب اطلاعات بین حافظه اصلی و پردازنده مرکزی طراحی شده است. به زمان مورد نیاز برای دسترسی به داده ها از حافظه “تأخیر” گفته می شود.
حافظه نهان L1 کمترین تأخیر را دارد و سریعترین و نزدیکترین هسته را دارد و L3 بالاترین میزان تاخیر را دارد. تأخیر حافظه نهان در صورت عدم وجود حافظه پنهان افزایش می یابد زیرا پردازنده مجبور است داده ها را از حافظه سیستم بازیابی کند.
با سرعت و کارآیی کامپیوتر ها ، تأخیر همچنان کاهش می یابد. تاخیر کم در حافظه رم DDR4 و حافظه های SSD بسیار سریع باعث کاهش زمان تاخیر می شود و کل سیستم شما را سریعتر از همیشه می کند. به این ترتیب ، سرعت حافظه سیستم شما نیز مهم است.
آینده حافظه نهان پردازنده
طراحی حافظه پنهان همیشه در حال پیشرفت است ، به خصوص که حافظه ارزان تر ، سریع تر و متراکم تر می شود. به عنوان مثال ، یکی از جدیدترین نوآوری های AMD حافظه دسترسی هوشمند و حافظه پنهان Infinity است که هر دو عملکرد کامپیوتر را افزایش می دهند.