Що таке кеш l1, l2 та l3 і як він працює?

Ви коли-небудь чули про кеші L1, L2 та L3 ? Безумовно, так, але якщо ви не впевнені, що насправді означають ці рівні кешу, у цій статті ми спробуємо розтлумачити все якнайкраще. Відтепер ви краще зрозумієте характеристики пам'яті процесора.

Ви вже будете знати, що одним з найважливіших компонентів комп'ютера є його пам’ять, ми говоримо звичайно про оперативну пам'ять, ту, де завантажуються всі програми та операційна система, щоб вони використовувалися процесором або необхідністю доступу до диска важко.

Оперативна пам’ять набагато швидша, ніж жорсткий диск, особливо, ніж механічні диски. Але все ж є швидша пам'ять у нашому комп’ютері, конкретно всередині нашого процесора, і це кеш-пам'ять, що ми побачимо сьогодні.

Зміст індексу

Що таке кеш-пам'ять процесора

Перше, що нам доведеться знати - це кеш загалом. Як ми вже говорили, всередині ПК є декілька типів пам'яті, і саме кеш-пам'ять буде найшвидшою з усіх.

Рівень зберігання

Для початку на першому кроці у нас буде первинне сховище, яке, безперечно, є жорсткими дисками. В них вся інформація зберігається постійно, з неї операційна система робить функціональний ПК. Це найповільніша пам'ять, приблизно від 150 Мб / с на жорсткому диску (механічний жорсткий диск) до вражаючих 3500 МБ / с найшвидших SSD.

По-друге, у нас буде оперативна пам'ять або оперативна пам'ять. Це менша твердотільна пам'ять, яка не здатна постійно зберігати дані і діє як шлюз між жорстким диском та процесором. Він пропонує швидкість, що перевищує 30 000 МБ / с в DDR4. Пам'ять також називається DRAM (Dynamic RAM), оскільки її потрібно постійно оновлювати, щоб уникнути втрати інформації.

Третій рівень, найшвидший

І нарешті ми приходимо до тієї, що знаходиться вгорі, кеша. Це дуже мала пам'ять, яка встановлюється всередині власного мікропроцесора та типу SRAM (статична ОЗУ). Це набагато дорожче виготовлення, ніж звичайна оперативна пам’ять, і може зберігати дані без постійного оновлення.

Факт встановлення всередині процесора робить його найближчим до процесорних ядер, і саме тому він повинен бути проклятим швидко. Насправді він досягає швидкості понад 200 ГБ / с і затримок близько 10 або 11 нс (наносекунд). Кеш-пам'ять відповідає за збереження інструкцій, які негайно переробляються процесором, щоб він мав доступ до них якнайшвидше.

У свою чергу, кеш-пам'ять поділяється на кілька рівнів, кожен швидший, менший і наближений до процесора. Зараз процесори мають загалом три рівні кеш-пам’яті всередині. Перш ніж ми розберемося з цим, давайте коротко розберемося, як працює кеш.

Як працює кешування

Ви можете цього не знати, але практично всі периферійні пристрої та елементи комп'ютера мають власну кеш-пам'ять, наприклад, самі жорсткі диски, принтер і, звичайно, графічні процесори відеокарт. І функція всіх, включаючи функцію процесора, буде однаковою.

Як ми знаємо, комп’ютер "розумний" завдяки операційній системі та її програмам. Кожна з цих програм створена з мови програмування, що, в свою чергу, є набором інструкцій, які повинні бути виконані впорядковано в ЦП. Ми говоримо впорядковано, тому що саме в цьому випадку встановлення різних рівнів зберігання має сенс.

Дані фіксовано зберігаються на жорстких дисках, але оскільки вони настільки повільні і знаходяться "так далеко" від процесора, вони завантажуються раніше в оперативну пам'ять, набагато швидше зберігання і використовуються лише для програм, які є в експлуатації.

Контролер пам'яті вступає в гру

Але цього все ж недостатньо, оскільки сьогоднішні процесори настільки швидкі і здатні виконувати мільйони операцій щосекунди на кожному ядрі, кеш входить. Всередині процесора є контролер пам'яті, який в основному називався північним мостом або північним мостом і був мікросхемою, встановленою на материнській платі. Ну, цей контролер пам'яті зараз знаходиться всередині процесора і відповідає за отримання з оперативної пам'яті інструкцій, які будуть виконуватися, а також повернення результатів циклу обробки.

Але також є два типи шин , які відповідають за зв'язок процесора з оперативною пам'яттю, їх називають шиною даних та адресною шиною:

• Шина даних: це в основному доріжки, по яких циркулюють дані та інструкції. Буде шина даних, яка передає оперативну пам'ять, кеш і ядра один з одним. Шина адреси: це незалежний канал, де ЦП запитує адресу пам'яті, де знаходяться дані. Вказівки зберігаються в осередках пам'яті, у яких є адреса, і RAM, кеш і CPU повинні знати її, щоб знайти дані, про які йдеться.

Кеш L1, L2 і L3

На сьогоднішній день ми вже приблизно розуміємо, як працює накопичувач на ПК та як працює кешування. Але ми повинні знати, що всередині процесора є кеш-пам'ять L1, L2 та L3, здається неймовірним, що щось таке маленьке так сильно відповідає? Для цих трьох рівнів кеш-пам'ять забезпечує ієрархію швидкості та, звичайно, потужності.

Кеш-пам'ять L1

Кеш L1 - це найшвидша конфігурація, найбільш близька до ядер. Тут зберігаються дані, які негайно будуть використані процесором, і саме тому швидкість становить близько 1150 ГБ / с, а затримка становить лише 0, 9 нс.

Розмір цієї кеш-пам’яті становить загалом близько 256 КБ, хоча залежно від потужності процесора (і вартості) він буде меншим або більшим, адже процесори Workstation, такі як Intel Core i9-7980 XE, мають деякі Всього 1152 Кб.

Цей кеш L1 розділений на два типи - кеш даних L1 та кеш інструкцій L1, перший відповідає за зберігання даних, що обробляються, а другий зберігає інформацію про операцію, яка повинна виконуватися (додавання, віднімання, множення, тощо).

Крім того, у кожного ядра є свої кеші L1, тому якщо у нас є 6-ядерний процесор, у нас буде 6 кешів L1, поділених на L1 D і L1 I. У процесорах Intel кожен має 32 КБ, а в Процесори AMD також мають 32 КБ або 64 Кб на L1 I. Звичайно, вони залежать від якості та потужності, як завжди.

L2 кеш-пам'яті

Наступним, який ми знайдемо, буде кеш L2 або 2 рівня. Це має більшу ємність, хоча це буде трохи повільніше, затримка близько 470 ГБ / с та 2, 8 нс. Розмір пам’яті зазвичай коливається між 256 Кб і 18 Мб. Ми вже бачимо, що вони значні для швидкостей, якими ми керуємо.

Інструкції та дані зберігаються в ньому і незабаром будуть використовуватися процесором, і в цьому випадку вони не поділяються на Інструкції та дані. Але у нас є кеш L2 для кожного ядра, принаймні, це стосується найбільш релевантних процесорів. Для кожного ядра зазвичай припадає 256, 512 або до 1024 Кб.

L3 кеш-пам'яті

Нарешті ми знайдемо кеш L3, який має чіткий простір для нього на процесорній мікросхемі. Він буде найбільшим, а також найповільнішим, ми говоримо про понад 200 ГБ / с і 11 нс затримки.

Наразі гідний процесор матиме щонайменше 4 Мб кешу L3, і видно диски до 64 МБ. L3, як правило, поширюється приблизно на 2 Мб на ядро, але скажемо, що це не всередині кожного ядра, тому є шина даних для зв'язку з ними. Платоспроможність та швидкість процесора багато в чому залежать від цієї шини та самої оперативної пам'яті, і саме тут Intel отримує свою потужність від AMD.

Як знати кеш L1, L2 та L3 мого процесора

Ну, один з найшвидших способів дізнатися цю інформацію - це завантажити інструмент CPU-Z, який є абсолютно безкоштовним і надасть вам дуже повну інформацію про ваш процесор. Навіть три рівні та обсяг пам’яті для кожного. Ви можете завантажити його з офіційного веб-сайту.

Ви також можете помістити марку та модель у браузер і перейти на сторінку виробника, хоча вони зазвичай надають лише інформацію про кеш L3. Звичайно, у всьому нашому огляді процесорів ми надаємо повну інформацію про кеш кожного процесора та оцінюємо його продуктивність.

Затримка, ширина шини та відсутність кешу

Ми зрозуміли, що дані надходять з жорсткого диска в ядро ​​обробки через усі рівні пам'яті. Якщо процесор вперше шукає наступну інструкцію для обробки, знаходиться в кеш-пам'яті, система якості повинна знати, як правильно знаходити дані виходячи з їх важливості, щоб мінімізувати час доступу до них, що називається затримкою..

Затримка - це час, необхідний для доступу до даних із пам'яті. Чим далі і повільніше, тим більше затримка і довший процесор, доведеться чекати наступної інструкції. Таким чином, коли інструкція не розміщена в кеш-пам'яті, процесор повинен шукати її безпосередньо в оперативній пам'яті, це називається відсутністю кешу або кеш-пропуску, це відбувається, коли відбувається більш повільний ПК.

Ширина шини також має велике значення для швидкості, оскільки вона відзначає можливість передачі більших блоків даних із пам'яті в процесор. І процесор, і оперативна пам’ять - 64 біти, але функція подвійного каналу здатна подвоїти цю ємність до 128 біт, щоб передача між цими елементами мала більшу ємність.

Висновок про кеш-пам'ять L1, L2 та L3

Ми завжди багато дивимось на кількість ядер і швидкість процесора, зрозуміло, що це багато в чому визначає загальну швидкість його. Але елементом, який іноді зазвичай не враховують, є кеш-пам'ять, і це важливо, коли мова йде про наявність потужного процесора.

Наприклад, наявність 6-ядерного процесора з 4 або 16 Мб кешу L3 буде дуже важливим, коли справа стосується вимірювання його продуктивності, особливо коли у нас є кілька відкритих програм. Тож відтепер уважно погляньте на цей розділ, коли ви вирішите придбати процесор, адже не все залежить від частоти.

У нас є більше цікавих навчальних посібників з цієї теми, тому тут ми їх залишаємо:

Ми також рекомендуємо наші оновлені посібники з обладнання:

Ми сподіваємось, що вся ця інформація була вам корисною, щоб дізнатися більше про процесори та кеш-пам'ять. Якщо у вас є запитання, ви можете поставити нам запит у поле для коментарів. Побачимось у наступному навчальному посібнику!