Что представляет из себя кэш разных уровней в процессоре

Что это такое

При выполнении любых вычислений (даже в режиме простоя компьютера, когда работают только системные службы) данные для обработки ЦП получает из оперативной памяти. Информация поступает небольшими блоками, после чего записывается промежуточный результат.

По характеристикам, а точнее скорости работы, самый медленный процессор многократно превосходит ОЗУ. В среднем, он шустрее в 15 раз. Добавьте сюда системную шину, которая может еще больше замедлять обработку данных. Получается совсем некрасивая картина: в таком режиме КПД системы слишком низок.

Хотя назначение MB — связать между собой все компоненты компа, часто рациональнее использовать дополнительную «Приблуду», которая возьмет на себя часть несвойственных функций.

Именно к таким технологиям относится кэш, который еще называют сверхоперативной памятью. Реализован он в виде отдельных микросхем типа SRAM. Благодаря такой особенности все промежуточные данные перезаписываются максимально быстро. Это благоприятно влияет на производительность работы в целом.

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.

blog comments powered by DISQUS

Тип разъема (Socket)

Сокет (socket) – разъем на материнской плате, в который устанавливается процессор

Важно, чтобы название сокета на процессоре соответствовало названию на материнской плате!. Актуальными сокетами на 2019 год являются LGA1151 (Intel) и AM4 (AMD)

К устаревающим сокетам процессоров относятся LGA1150 (Intel), FM2+, AM3+ (AMD)

Актуальными сокетами на 2019 год являются LGA1151 (Intel) и AM4 (AMD). К устаревающим сокетам процессоров относятся LGA1150 (Intel), FM2+, AM3+ (AMD).

Ориентировочные параметры кэш второго и третьего уровня:

• процессоры начального уровня – 256 Кб (L2) на ядро, до 2 Мб (L3);
• процессоры среднего уровня – 512 Кб (L2) на ядро, 3-4 Мб (L3);
• мощные процессоры – 1 Мб (L2) на ядро, 6-8 Мб (L3).

Важно: при наличии кэш L3, размер кэш L2 не имеет существенного значения

Как работает кэш-память

Чтобы понять, что такое кэширование и как оно работает, нам нужно объяснить, что такое принцип локальности.

Принцип локальности гласит, что когда центральный процессор считывает данные из ячеек основной памяти компьютера, весьма вероятно, что другие данные, которые он будет использовать, также будут расположены рядом с рассматриваемой ячейкой. По этой причине вся информация, смежная с запрашиваемой центральным процессором, передаётся в кэш. Когда процессор компьютера запрашивает новую информацию, она, скорее всего, уже будет в кэше.

В случае, если запрошенные данные не кэшируются, центральный процессор сделает запрос в основную память, чтобы найти ячейку, содержащую информацию. Также в этом случае центральный процессор будет передавать информацию, смежную с информацией о ячейке, используемой в кеше. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока кэш полностью не заполнится.

Собственная память процессора

Только что мы отследили иерархию носителей информации с разным уровнем приоритетности: от HDD к ОЗУ, и далее к SRAM. Но внутри cash процессора существует свое разделение, выполненное по аналогичному принципу: более востребованные данные располагаются в секторе меньшего объема, но с большей скоростью считывания.

В самом теле процессора встроен кэш первого (начального уровня), обозначаемый L1 и имеющий объем несколько Кбайт. Обычно он состоит из нескольких блоков, каждый из которых обслуживает отдельное ядро процессора. Далее идет более вместительный кэш второго уровня L2 с меньшей скоростью записи-считывания, который может состоять из одного или нескольких блоков. В современных процессорах имеется и кэш уровня L3 и даже L4.

Последний используется в специальных моделях, предназначенных для работы в мощных серверах. В процессоре вашего ПК так же имеется кэш память. И я подскажу, где посмотреть размер L1, L2 или L3 (если таковая присутствует).

Первый способ – в интернете, по точному названию вашего процессора, которое отображается в свойствах «Моего компьютера».

Второй вариант – загрузить одну из полезных программ CPU-Z или AIDA64 и там среди прочей информации о ЦП вы найдете сведения об уровнях и размерах cash.

Кроме того, различают три вида кэша процессора, каждый из которых имеет определенную специализацию:

• для обработки машинного кода – кэш инструкций;
• для считывания и записи информации – кэш данных;
• буфер ассоциативной трансляции (TLB) – для перевода логических адресов в физические (при работе с кодом и данными).

Уровни кэша: L1, L2 и L3

Кэш процессора разделен на три основных уровня: L1, L2 и L3. Отличаются они скоростью доступа и размером.

• Кэш L1 (уровень 1) — это самая быстрая память которая присутствует в компьютере. С точки зрения приоритета, L1 содержит данные и команды, которые понадобятся в первую очередь. Размер обычно достигает 256 КБ, хотя некоторые топовые процессоры (типа Intel Xeon) могут иметь более 1 МБ.
• Кэш L2 (уровень 2) медленнее, но больше по размеру. Объем в диапазоне от 256 КБ до 8 МБ. Содержит данные, которые также могут скоро потребоваться, но не уместились в L1. Память первых двух уровней встроена прямо в ядро процессора. То есть, у каждого ядра она своя.
• Кэш L3 (уровень 3) — самая медленная из них, но и самая большая. Размер может достигать 62 МБ. Физически располагается внутри кристалла процессора, что позволяет обращаться к её содержимому намного быстрее, чем к ячейкам оперативной памяти.

Когда процессор ищет данные для выполнения операции, он последовательно начинает просматривать все уровни, начиная с L1 и заканчивая L3. Если поиск завершился неудачей, то приходиться обращаться к оперативной памяти, а это вызывает задержку в работе. Поэтому, чем объемней кэш, тем больше вероятность нахождения в нем нужных данных, а значит меньше задержек.

Влияние на производительность системы

В современных процессорах количество кэш-попаданий превышает 90%. Это справедливо по отношению к задачам, не требующих высокой производительности. При повышении нагрузки количество промахов увеличивается.

Практика показала, что повышение тактовой частоты влияет лучше на работу системы, чем увеличение кэша. Однако такое решение влечет за собой увеличение стоимости CPU. «Потолок» здесь — 4 ГГц. Дальше каждая десятая доля герца сопряжена с ростом цены в геометрической прогрессии.

Использование трехуровневого кэша увеличивает производительность CPU на 10%. Этот эффект больше всего ощущается при использовании архиваторов (в наше время не самый актуальный софт), при обработке видео и видеоиграх. В «легких» приложениях — например, офисном пакете или интернет-браузере, эффективность кеша чуть более нуля.

Имеет ли значение размер кэша жёсткого диска?

В бытовых жёстких дисках размер кэша составляет 32, 64, 128 и 256 МБ. Скорость доступа ко всем кешам одинакова. Размеры различаются и означают, что в кеше будет больше данных, доступ к которым будет осуществляться намного быстрее. Как правило, размер кэша имеет огромное значение для производительности, поскольку он может хранить больше.

Но если вы переносите небольшие файлы, размер которых меньше размера кеша, диск может сознательно изменить порядок файлов для повышения качества, и скорость передачи будет увеличена. Вот почему мы не можем полностью исключить из уравнения размер буферного кеша, который будет увеличен на следующем жёстком диске.

Если вы хотите купить жёсткий диск и немного запутались в спецификациях, которые вы хотите учитывать, вашим приоритетом должно быть «RPM», которое определяет скорость записи и чтения диска. Во-вторых, вас может беспокоить цена, по которой вы получаете жёсткий диск. Если разница в цене между обоими жёсткими дисками одинакова и единственная разница заключается в размере буфера, выберите более дешёвый, так как вы вряд ли найдёте разницу в них обоих.

Почему не нужно использовать программы для оптимизации памяти

На многих сайтах компьютерной тематики обязательно найдутся ссылки на программы, которые обещают в один клик улучшить работу нашего компьютера и превратить старенький медленный компьютер в скоростной «космолет». Мы уже писали о том, что подобные «однокликовые» оптимизаторы как минимум бесполезны, и что к вопросу оптимизации необходимо подходить совершенно иначе — более продуманно и уж никак не с инструментом вида «в один клик». Также встречаются и оптимизаторы оперативной памяти, которые в линейке бесполезных утилит стоят особо высоко, потому что они не только не приносят никакой пользы, но и снижают скорость работы вашего компьютера. И сейчас я объясню почему.

Влияние на скорость работы

Таким образом, можно сделать вывод, что ориентироваться на объем кэш памяти при покупке процессора стоит в последнюю очередь. Хотя прогресс не стоит на месте и появляются новые идеи в устранении задержек при работе с данными. Например, компания Intel уже провела ряд экспериментов по внедрению кэша 4 уровня и останавливаться на этом не собирается.

Пример объема L3 буфера разных процессоров и их средняя цена:

Визуализация работы:

Функция кэш-памяти

В чем же состоит причина, которая побудила разработчиков компьютеров использовать специальную память для процессора? Разве возможностей ОЗУ для компьютера недостаточно?

Действительно, долгое время персональные компьютеры обходились без какой-либо кэш-памяти. Но, как известно, процессор – это самое быстродействующее устройство персонального компьютера и его скорость росла с каждым новым поколением CPU. В настоящее время его скорость измеряется миллиардами операций в секунду. В то же время стандартная оперативная память не столь значительно увеличила свое быстродействие за время своей эволюции.

Вообще говоря, существуют две основные технологии микросхем памяти – статическая память и динамическая память. Не углубляясь в подробности их устройства, скажем лишь, что статическая память, в отличие от динамической, не требует регенерации; кроме того, в статической памяти для одного бита информации используется 4-8 транзисторов, в то время как в динамической – 1-2 транзистора. Соответственно динамическая память гораздо дешевле статической, но в то же время и намного медленнее. В настоящее время микросхемы ОЗУ изготавливаются на основе динамической памяти.

Примерная эволюция соотношения скорости работы процессоров и ОЗУ:

Таким образом, если бы процессор брал все время информацию из оперативной памяти, то ему пришлось бы ждать медлительную динамическую память, и он все время бы простаивал. В том же случае, если бы в качестве ОЗУ использовалась статическая память, то стоимость компьютера возросла бы в несколько раз.

Именно поэтому был разработан разумный компромисс. Основная часть ОЗУ так и осталась динамической, в то время как у процессора появилась своя быстрая кэш-память, основанная на микросхемах статической памяти. Ее объем сравнительно невелик – например, объем кэш-памяти второго уровня составляет всего несколько мегабайт. Впрочем, тут стоить вспомнить о том, что вся оперативная память первых компьютеров IBM PC составляла меньше 1 МБ.

Кроме того, на целесообразность внедрения технологии кэширования влияет еще и тот фактор, что разные приложения, находящиеся в оперативной памяти, по-разному нагружают процессор, и, как следствие, существует немало данных, требующих приоритетной обработки по сравнению с остальными.

Настройка

Чтобы добраться до файла подкачки, щелкните правой клавишей мыши на значке Мой компьютер, расположенном на Рабочем столе Windows, и в появившемся контекстном меню выберите пункт Свойства. В открывшемся окне Свойства системы перейдите на вкладку Дополнительно и щелкните мышью на кнопке Параметры в разделе Быстродействие. На экране откроется диалоговое окно Параметры быстродействия. Откройте вкладку Дополнительно.

В этой вкладке выводится три основных раздела настройки.

1. Распределение времени процессора. При выборе опции «Программ«, больше выделяется ресурсов для активных процессов и пользовательских приложений. Опция «Служб, работающих в фоновом режиме«, полезна при запуске большого числа приложений в фоновом режиме, или при загрузке больших массивом из интернет. Эти настройки можно временно изменять под свои нужды.
2. Использование памяти. Опция «Программ«, рекомендуется при использовании приложений, которые требуют значительных объемов памяти, и если данный компьютер используется как рабочая станция, а не как сервер. В этом случае программы будут работать быстрее, а для системного кэша будет использоваться стандартный размер, установленный в Windows XP. Опция «Системного кеша» используется если данный компьютер используется как сервер или работа ведется в программах, для которых требуется кэш большого размера.
3. Виртуальная память. Этот раздел изменят распределение объемов памяти на диске для файла подкачки.

Чтобы изменить параметры файла подкачки, щелкните мышью на кнопке Изменить. Откроется диалоговое окно Виртуальная память

В верхней части окна демонстрируется список всех жестких дисков (или логических дисковых разделов), имеющихся на компьютере. Выберите щелчком мыши один из них. Ниже, в разделе Размер файла подкачки для выбранного раздела, вы сможете увидеть текущий объем файла подкачки для данного диска и доступный свободный объем дискового пространства. Вы сможете изменить принятые по умолчанию настройки файла подкачки, установив расположенный ниже переключатель в одно из трех предлагаемых положений:

• Особый размер. Если установлен этот переключатель, исходный и максимальный размеры файла подкачки виртуальной памяти в мегабайтах (Мбайт) задаются вручную. Для обеспечения оптимального быстродействия общий исходный объем файла подкачки на всех дисках должен быть не меньше значения поля Рекомендуется в области Общий объем файла подкачки на всех дисках.
• Размер по выбору системы. Если установлен этот переключатель, операционная система Windows выбирает оптимальный размер файла подкачки.
• Без файла подкачки. Если установлен этот переключатель, файл подкачки на этом диске отключен. Корпорация Майкрософт настоятельно рекомендует не отключать файл подкачки.

Что значит очистить кэш

Это означает очистить всю накопленную информацию на устройстве, требуемую для эффективной работы компьютера или устройства. Выполнять эту процедуру нужно лишь в том случае, когда это действительно необходимо. Предположим, после стирания памяти браузера, веб-ресурсы, которыми серфер регулярно пользуется, станут загружаться несколько продолжительнее, поскольку ему потребуется снова закачать все данные, находящиеся на странице. После завершения удаления кэша на смартфоне, игры, его требующие, не сумеют стартовать без этих данных.

Иногда владельцы смартфонов Самсунг при попытке освободить место в устройстве встречаются с пугающим системным предупреждением «кэшированные данные приложений будут очищены». Что это означает?

Пользователю необходимо понимать, что значит «очистить кэш», и иметь понятие к каким последствиям это может привести. Разумеется, временами бывают ситуации, когда чистить память необходимо. Это может быть обусловлено переполнением памяти или же неполадками, к которым оно способно привести. Также бывает, что кэш, вопреки своему основному назначению, может препятствовать работе компьютера. За этим требуется следить. В этом помогут различные программы, утилиты и приложения.

К примеру, программа CCleaner для стационарного компьютера (или ее аналог для Андроида в виде приложения) способна разыскать в системе устройства тот кэш, в каком пользователь не имеет необходимости, и удалить его самостоятельно. Описываемая программа значительно способствует оптимизации работоспособности устройства. Она может диагностировать ваш компьютер на предмет ошибок, почистить реестр системы, а также поставить автозагрузку программ при старте компьютера или устройства. Это тоже немаловажная функция, поскольку зачастую компьютерные приложения, которые мы загружаем из интернета, автоматом подгружаются при пуске операционной системы.

Если значительное число подобных приложений загружается во время пуска устройства, это может затратить много времени при включении. Такую ситуацию без особых усилий исправляет программа CCleaner и аналогичные ей утилиты.

Для чего необходимо очищение

собственного кэшa

Предположим, если юзер заходил на сайт, его браузер сбережет в своем личном кэшe его оформление. И после завершения вышедшего свежего оформления пользователь его не сможете увидеть, поскольку ему будет предоставлено оформление, сохраненное в его кэше. Помимо этого, он также сохраняет хронологию посещений веб-страниц. Если юзер не желает, чтобы кто-либо мог узнать какие сайты он посещал, ему также следует очистить память.

Лишний раз почистить кэш не только с компьютера, но и со смартфона также будет целесообразно. Нередко после удаления игры она оставляет свой кэш в памяти устройства. По этой причине на телефоне может оставаться не одно зарезервированное пространство теми играми, которые уже отсутствуют. При этом накопленные данные могут достаточно много весить

Примем во внимание, что смартфоны не располагают таким большим количеством
памяти, как стационарный компьютер или ноутбук. Соответственно, хранить эти резервы — непозволительная роскошь. Наличие резервирования места для данных и хранения в них копий открывает широкие возможности по значительной оптимизации работы процессора любого устройства:

Наличие резервирования места для данных и хранения в них копий открывает широкие возможности по значительной оптимизации работы процессора любого устройства:

• стационарного компьютера;
• ноутбука, нетбука;
• планшета;
• смартфона и проч.

В том числе это заметно сокращает время его бездействия. Таким образом, удалять «кэшированные данные» не только можно, но и нужно.

Многие владельцы смартфонов слышали фразу «хочешь, чтобы гаджет работал быстрее – почисти кэш». Совет абсолютно верный, но далеко не все представляют себе, как осуществляется подобная процедура и о чем вообще идет речь. Поэтому для начала разберемся, что такое кэш в телефоне на Андроид и зачем его чистить.

Сверхпамять

В современных процессорах используется многоуровневый кэш. По сравнению с прочими типами ОЗУ SRAM имеет намного большую скорость работы. Однако этот параметр зависит и от объема памяти каждого из таких блоков. По этой причине используется кэш, собранный из нескольких модулей SRAM. Его разделяют на уровни.

• L1. Память первого уровня. Наименьшая по объему, но самая быстрая микросхема. Как правило, не более пары десятков килобайт. Работает почти без задержек. Используется для хранения наиболее часто используемых данных. Количество микросхем обычно равно количеству ядер, а каждое ядро имеет доступ только к своей микросхеме.
• L2. Память второго уровня. Чуть более медленный модуль, но больший по объему (несколько сотен килобайт). Хранит реже используемую информацию.
• L3. Память третьего уровня. Самая медленная, но самая объемная микросхема. Счет уже идет на десятки мегабайт. В отличие от предыдущих, эта память общая для всех ядер. Служит для хранения информации с низкой вероятностью запроса.

Как работает кеш?

Прежде всего, мы должны иметь в виду, что кеш не является частью оперативной памяти и не работает как таковой, кроме того, им нельзя управлять, как ОЗУ, где программы могут занимать и освобождать память по своему усмотрению, когда им это нужно. . Причина? Кэш работает полностью отдельно от ОЗУ.

Задача кеша — переместить данные из памяти в процессор. Обычно в программе код выполняется последовательно, то есть, если текущая инструкция находится в строке 1000, то следующая будет в строке 1001, если это не инструкция перехода. Идея кешей? Что ж, перенесите часть данных и инструкций во внутреннюю память процессора.

Когда ЦП или графический процессор ищет данные или инструкцию, первое, что он делает, это смотрит на кеш, ближайший к процессору и, следовательно, на тот, у которого самый низкий уровень для увеличения, пока он не достигнет ожидаемых данных. Идея в том, что вам не нужно обращаться к памяти.

Что такое оперативная память

RAM также известен как основная память или первичная память, Обычно программы хранятся на жестком диске. Процессору требуется больше времени для доступа к жесткому диску. Поэтому программы, которые должны выполняться, заносятся в оперативную память, чтобы они могли выполняться быстрее. Для доступа к данным из ОЗУ требуется всего короткое время по сравнению с доступом к данным со вторичного носителя данных, такого как жесткий диск и твердотельный накопитель.

Рисунок 1: RAM

RAM означает Оперативная память, Это энергозависимая память, которая требует постоянного потока энергии для поддержания данных. Прерывания или сбои питания могут удалить данные, хранящиеся в оперативной памяти. Он может иметь 32-битные или 64-битные пути данных. Это относится к числу битов, которые передаются за 1 тактовый цикл. Компьютер с большим объемом оперативной памяти будет иметь более высокую производительность.

Существует в основном два типа оперативной памяти: SRAM (статическая RAM) и DRAM (динамическая RAM). DRAM состоит из конденсатора и транзистора. Конденсатор может меняться, разряжаться и представлять логический и логический ноль. Из-за конденсатора возникает ток утечки, который приводит к потере заряда конденсатора. Это может удалить контент в DRAM. Следовательно, DRAM требует постоянных циклов обновления для сохранения данных. Кроме того, SRAM содержит триггеры для хранения данных. Для сохранения данных не требуется циклов обновления, как в DRAM. SRAM быстрее и дороже, чем DRAM.

Что такое кэш-память на компьютере

Кэш-память хранит самые важные временные файлы, которые могут понадобиться в ближайшее время. Например, когда вы смотрите видео в интернете, оно постепенно загружается и содержится в кэш-памяти браузера до тех пор, пока вы не закончите. Затем видео удаляется за ненадобностью. Так что, по сути, включая фильм в интернете, вы всё равно скачиваете его на компьютер и удаляете после просмотра.

Кэш-память используется и в Windows. Обычно там хранятся результаты вычислений программ. Обычно кэш своевременно удаляется, но есть виды, которые накапливаются и захламляют систему, потому что компьютер не может определить, нужна ли ещё эта информация или уже нет. Есть четыре вида кэш-памяти, которые нуждаются в постоянной очистке.

1. DNS-кэш, который хранит запросы компьютера к другим серверам сети. Необходим для того, чтобы не тратить время на повторные обращения, вся необходимая информация хранится в кэш-памяти. Когда нужно полностью обновить данные с сервера, тогда меняется и DNS-кэш. Соответственно, сами собой данные не удаляются, поэтому даже ненужные сохраняются там.
2. Thumbnail-кэш. Thumbnail дословно переводится как «ноготь большого пальца», а образно обозначает в английском языке миниатюры картинки, превью или эскизы. Компьютер сохраняет в кэш-памяти иконки картинок, видеофайлов или значков программ, поэтому прогружает миниатюры во второй раз значительно быстрее. Но если сами картинки уже удалены, их миниатюры из кэша не исчезают.
3. Кэш оперативной памяти. Сама оперативная память тоже хранит в себе временные файлы по технологии cache. И некоторые файлы не очищаются из-за ошибок или багов.
4. Кэш браузера. Уже было упомянуто о кэшировании видео для онлайн-просмотра, но это не всё. Каждая картинка, элементы дизайна, анимация на сайтах сохраняются в кэш-память. Часть веб-страниц полностью хранится во временной памяти, чтобы сократить время их прогрузки. Всё это накапливается, и даже уже неиспользуемые сайты продолжают занимать место.