Jak działa pamięć podręczna procesora i czym są L1, L2 i L3?

Procesory komputerowe znacznie się rozwinęły w ciągu ostatnich kilku lat, z każdym rokiem wielkość tranzystorów maleje, a postępy osiągają punkt, w którym prawo Moore'a szybko staje się zbędne.

Jeśli chodzi o procesory, liczą się nie tylko tranzystory i częstotliwości, ale także pamięć podręczna.

Być może słyszałeś o pamięci podręcznej podczas dyskusji o procesorach (Central Processing Units). Jednak nie zwracamy zbytniej uwagi na te liczby, ani nie są one tak naprawdę główną atrakcją reklam tych procesorów.

Tak dokładnie, jak ważna jest pamięć podręczna procesora i jak to działa?

Co to jest pamięć podręczna procesora?

Krótko mówiąc, pamięć podręczna jest po prostu naprawdę szybkim rodzajem pamięci. Jak zapewne wiesz, komputer ma wiele rodzajów pamięci. Istnieje podstawowa pamięć, taka jak dysk twardy lub dysk SSD, która przechowuje większość danych - system operacyjny i wszystkie programy.

Następnie mamy pamięć o dostępie swobodnym, powszechnie znaną jako RAM. Jest to znacznie szybsze niż pamięć podstawowa.

Wreszcie, procesor ma jeszcze szybsze jednostki pamięci, które znamy jako pamięć podręczną.

Pamięć w komputerze ma hierarchię opartą na szybkości, a pamięć podręczna znajduje się na szczycie tej hierarchii i jest najszybsza. Jest także najbliżej miejsca, w którym zachodzi centralne przetwarzanie, ponieważ jest częścią samego procesora.

Pamięć podręczna to statyczna pamięć RAM (SRAM) w porównaniu do systemowej pamięci RAM, która jest dynamiczną pamięcią RAM (DRAM). Statyczna pamięć RAM to taka, która może przechowywać dane bez konieczności ciągłego odświeżania, w przeciwieństwie do DRAM, co sprawia, że ​​SRAM idealnie nadaje się do użycia w pamięci podręcznej.

Jak działa pamięć podręczna procesora?

Jak być może już wiesz, program został zaprojektowany jako zestaw instrukcji do uruchomienia przez CPU. Po uruchomieniu programu instrukcje te muszą przejść z pamięci podstawowej do procesora. Tutaj zaczyna się hierarchia pamięci.

Dane są najpierw ładowane do pamięci RAM, a następnie wysyłane do procesora. Obecnie procesory są w stanie wykonać gigantyczną liczbę instrukcji na sekundę. Aby w pełni wykorzystać swoją moc, procesor potrzebuje dostępu do superszybkiej pamięci. W tym miejscu pojawia się pamięć podręczna.

Kontroler pamięci wykonuje zadanie pobierania danych z pamięci RAM i wysyłania ich do pamięci podręcznej. W zależności od tego, który procesor znajduje się w systemie, kontroler ten może znajdować się na chipsecie North Bridge na płycie głównej lub w samym procesorze.

Pamięć podręczna wykonuje następnie tam iz powrotem danych w CPU. Hierarchia pamięci istnieje również w pamięci podręcznej.

(Jeśli chcesz dowiedzieć się, jak działa sam procesor, zapoznaj się z naszym artykułem wyjaśniającym podstawy procesora Co to jest procesor i co robi? Co to jest procesor i co robi? Skrót obliczeń jest mylący. Co to jest procesor w każdym razie? A czy potrzebuję czterordzeniowego lub dwurdzeniowego procesora? A może AMD lub Intel? Jesteśmy tutaj, aby wyjaśnić różnicę!)

Poziomy pamięci podręcznej: L1, L2 i L3

Pamięć podręczna procesora jest podzielona na trzy główne „poziomy”, L1, L2 i L3. Hierarchia tutaj jest znowu zgodna z szybkością, a tym samym z wielkością pamięci podręcznej.

Pamięć podręczna L1 (poziom 1) to najszybsza pamięć obecna w systemie komputerowym. Pod względem priorytetu dostępu pamięć podręczna L1 zawiera dane, których procesor najprawdopodobniej będzie potrzebował podczas wykonywania określonego zadania.

Jeśli chodzi o rozmiar, pamięć podręczna L1 zwykle wzrasta do 256 KB. Jednak niektóre naprawdę potężne procesory zajmują teraz blisko 1 MB. Niektóre mikroukłady serwerowe (np. Topowe procesory Intel Xeon) mają teraz około 1-2 MB pamięci podręcznej L1.

Pamięć podręczna L1 jest zwykle dzielona na dwa sposoby, na pamięć podręczną instrukcji i pamięć podręczną danych. Pamięć podręczna instrukcji dotyczy informacji o operacji, którą musi wykonać procesor, natomiast pamięć podręczna danych zawiera dane, na których ma zostać wykonana operacja.

Źródło obrazu: Intel

Pamięć podręczna L2 (poziom 2) jest wolniejsza niż pamięć podręczna L1, ale ma większy rozmiar. Jego rozmiar zwykle waha się od 256 KB do 8 MB, chociaż nowsze, mocniejsze procesory zwykle go przekraczają. Pamięć podręczna L2 przechowuje dane, które prawdopodobnie będą dostępne dla procesora w następnej kolejności. W większości nowoczesnych procesorów pamięci podręczne L1 i L2 są obecne na samych rdzeniach procesorów, a każdy rdzeń otrzymuje własną pamięć podręczną.

Pamięć podręczna L3 (poziom 3) jest największą i najwolniejszą jednostką pamięci podręcznej. Może wynosić od 4 MB do 50 MB. Współczesne procesory mają dedykowane miejsce na matrycy procesora dla pamięci podręcznej L3 i zajmuje dużą część miejsca.

Uderzenie w pamięć podręczną lub brak i opóźnienie

Dane przepływają z pamięci RAM do pamięci podręcznej L3, następnie L2, a na końcu L1. Gdy procesor szuka danych do wykonania operacji, najpierw próbuje je znaleźć w pamięci podręcznej L1. Jeśli procesor jest w stanie go znaleźć, warunek nazywany jest trafieniem w pamięć podręczną. Następnie znajduje się w L2, a następnie L3.

Jeśli nie znajdzie danych, próbuje uzyskać do nich dostęp z pamięci głównej. Nazywa się to miss pamięci podręcznej.

Teraz, jak wiemy, pamięć podręczna została zaprojektowana w celu przyspieszenia do przodu i do tyłu informacji między pamięcią główną a procesorem. Czas potrzebny na dostęp do danych z pamięci nazywa się Opóźnieniem. L1 ma najniższe opóźnienie, będąc najszybszym i najbliższym rdzeniu, a L3 ma najwyższe. Opóźnienie znacznie wzrasta, gdy brakuje pamięci podręcznej. Wynika to z faktu, że procesor musi pobierać dane z pamięci głównej.

Gdy komputery stają się coraz szybsze i lepsze, obserwujemy zmniejszenie opóźnień. Mamy teraz pamięć RAM DDR4 o niskim opóźnieniu i superszybkie dyski SSD o niskim czasie dostępu jako podstawowej pamięci, co znacznie obniża ogólne opóźnienie. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak działa pamięć RAM, oto nasz szybki i brudny przewodnik po pamięci RAM Szybki i brudny przewodnik po pamięci RAM: Co musisz wiedzieć Szybki i brudny przewodnik po pamięci RAM: Co musisz wiedzieć Pamięć RAM ma kluczowe znaczenie składnik każdego komputera, ale może to być mylące. Rozbijamy to na łatwe do zrozumienia warunki, które zrozumiesz. .

Wcześniej konstrukcje pamięci podręcznej miały pamięć podręczną L2 i L3 poza procesorem, co miało negatywny wpływ na opóźnienie.

Jednak postępy w procesach produkcyjnych związanych z tranzystorami CPU pozwoliły zmieścić miliardy tranzystorów na mniejszej przestrzeni niż wcześniej. W rezultacie pozostaje więcej miejsca na pamięć podręczną, dzięki czemu pamięć podręczna może znajdować się jak najbliżej rdzenia, co znacznie zmniejsza opóźnienia.

Przyszłość pamięci podręcznej

Projektowanie pamięci podręcznej zawsze ewoluuje, zwłaszcza gdy pamięć staje się tańsza, szybsza i gęstsza. Intel i AMD mają swój udział w eksperymentach z projektami pamięci podręcznej, a Intel eksperymentuje nawet z pamięcią podręczną L4. Rynek procesorów rozwija się teraz szybciej niż kiedykolwiek.

Dzięki temu jesteśmy przekonani, że projekt pamięci podręcznej nadąża za stale rosnącą mocą procesorów.

Ponadto wiele się robi, aby ograniczyć wąskie gardła, jakie mają współczesne komputery. Zmniejszenie opóźnień pamięci jest prawdopodobnie największą jego częścią. Branża pracuje nad rozwiązaniami tego samego, a przyszłość wygląda naprawdę obiecująco.

Być może słyszałeś nawet o Intel Optane, który może być używany jako rodzaj hybrydowej zewnętrznej pamięci podręcznej. Jeśli nie, zapoznaj się z naszym artykułem eksplorującym potencjalne zastosowania Intel Optane. Czy Intel Optane Memory Tanie DDR3 RAM? Czy pamięć Intel Optane jest tanim DDR3 RAM? Zastanawiasz się, na czym polega pamięć Optane Intela? Czy to tania pamięć RAM, czy coś więcej? Oto, co musisz wiedzieć. .