Главная Windows 8 Новый подход к кэшированию процессора. Кэш-память процессора. Уровни и принципы функционирования Что такое кэш память ноутбука

Новый подход к кэшированию процессора. Кэш-память процессора. Уровни и принципы функционирования Что такое кэш память ноутбука

Кэш — память (кеш , cash , буфер — eng.) — применяется в цифровых устройствах, как высокоскоростной буфер обмена. Кэш память можно встретить на таких устройствах компьютера как , процессоры, сетевые карты, приводы компакт дисков и многих других.

Принцип работы и архитектура кэша могут сильно отличаться.

К примеру, кэш может служить как обычный буфер обмена . Устройство обрабатывает данные и передаёт их в высокоскоростной буфер, где контроллёр передаёт данные на интерфейс. Предназначен такой кэш для предотвращения ошибок, аппаратной проверки данных на целостность, либо для кодировки сигнала от устройства в понятный сигнал для интерфейса, без задержек. Такая система применяется например в CD/DVD приводах компакт дисков.

В другом случае, кэш может служить для хранения часто используемого кода и тем самым ускорения обработки данных. То есть, устройству не нужно снова вычислять или искать данные, что заняло бы гораздо больше времени, чем чтение их из кэш-а. В данном случае очень большую роль играет размер и скорость кэш-а.

Такая архитектура чаще всего встречается на жёстких дисках, и центральных процессорах (CPU ).

При работе устройств, в кэш могут загружаться специальные прошивки или программы диспетчеры, которые работали бы медленней с ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

Большинство современных устройство, используют смешанный тип кэша , который может служить как буфером обмена, как и для хранения часто используемого кода.

Существует несколько очень важных функций, реализуемых для кэша процессоров и видео чипов.

Объединение исполнительных блоков . В центральных процессорах и видео процессорах часто используется быстрый общий кэш между ядрами. Соответственно, если одно ядро обработало информацию и она находится в кэше, а поступает команда на такую же операцию, либо на работу с этими данными, то данные не будут снова обрабатываться процессором, а будут взяты из кэша для дальнейшей обработки. Ядро будет разгружено для обработки других данных. Это значительно увеличивает производительность в однотипных, но сложных вычислениях, особенно если кэш имеет большой объём и скорость.

Общий кэш , также позволяет ядрам работать с ним напрямую, минуя медленную .

Кэш для инструкций. Существует либо общий очень быстрый кэш первого уровня для инструкций и других операций, либо специально выделенный под них. Чем больше в процессоре заложенных инструкций, тем больший кэш для инструкций ему требуется. Это уменьшает задержки памяти и позволяет блоку инструкций функционировать практически независимо.При его заполнении, блок инструкций начинает периодически простаивать, что замедляет скорость вычисления.

Другие функции и особенности .

Примечательно, что в CPU (центральных процессорах), применяется аппаратная коррекция ошибок (ECC ), потому как небольшая ошибочка в кэше, может привести к одной сплошной ошибке при дальнейшей обработке этих данных.

В CPU и GPU существует иерархия кэш памяти , которая позволяет разделять данные для отдельных ядер и общие. Хотя почти все данные из кэша второго уровня, всё равно копируются в третий, общий уровень, но не всегда. Первый уровень кеша — самый быстрый, а каждый последующий всё медленней, но больше по размеру.

Для процессоров, нормальным считается три и менее уровней кэша. Это позволяет добиться сбалансированности между скоростью, размером кэша и тепловыделением. В видеопроцессорах сложно встретить более двух уровней кэша.

Размер кэша, влияние на производительность и другие характеристики .

Естественно, чем больше кэш , тем больше данных он может хранить и обрабатывать, но тут есть серьёзная проблема.

Большой кеш — это большой бюджет . В серверных процессорах (CPU ), кэш может использовать до 80% транзисторного бюджета. Во первых, это сказывается на конечной стоимости, а во вторых увеличивается энергопотребление и тепловыделение, которое не сопоставимо с увеличенной на несколько процентов производительностью.

Кэш -промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из оперативной (ОЗУ) и быстрее внешней (жёсткий диск или твердотельный накопитель) памяти, за счёт чего уменьшается среднее время доступа и увеличивается общая производительность компьютерной системы.

Ряд моделей центральных процессоров (ЦП) обладают собственным кэшем, для того чтобы минимизировать доступ к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленнее, чем регистры. Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности, в случае когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты ЦП. Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты ЦП.

Уровни кэша

Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N.

Самой быстрой памятью является кэш первого уровня -- L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. В современных процессорах обычно кэш L1 разделен на два кэша, кэш команд (инструкций) и кэш данных (Гарвардская архитектура). Большинство процессоров без L1 кэша не могут функционировать. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно. Латентность доступа обычно равна 2?4 тактам ядра. Объём обычно невелик -- не более 384 Кбайт.

Вторым по быстродействию является L2-cache -- кэш второго уровня, обычно он расположен на кристалле, как и L1. В старых процессорах -- набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1?12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования -- при общем объёме кэша в nM Мбайт на каждое ядро приходится по nM/nC Мбайта, где nC количество ядер процессора. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра.

Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень внушительного размера -- более 24 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации данных различных L2.

Иногда существует и 4 уровень кэша, обыкновенно он расположен в отдельной микросхеме. Применение кэша 4 уровня оправдано только для высоко производительных серверов и мейнфреймов.

Проблема синхронизации между различными кэшами (как одного, так и множества процессоров) решается когерентностью кэша. Существует три варианта обмена информацией между кэш-памятью различных уровней, или, как говорят, кэш-архитектуры: инклюзивная, эксклюзивная и неэксклюзивная.

Насколько важен кэш L3 для процессоров AMD?

Действительно, имеет смысл оснащать многоядерные процессоры выделенной памятью, которая будет использоваться совместно всеми доступными ядрами. В данной роли быстрый кэш третьего уровня (L3) может существенно ускорить доступ к данным, которые запрашиваются чаще всего. Тогда ядрам, если существует такая возможность, не придётся обращаться к медленной основной памяти (ОЗУ, RAM).

По крайней мере, в теории. Недавно AMD анонсировала процессор Athlon II X4, представляющий собой модель Phenom II X4 без кэша L3, намекая на то, что он не такой и необходимый. Мы решили напрямую сравнить два процессора (с кэшем L3 и без), чтобы проверить, как кэш влияет на производительность.

Как работает кэш?

Перед тем, как мы углубимся в тесты, важно понять некоторые основы. Принцип работы кэша довольно прост. Кэш буферизует данные как можно ближе к вычислительным ядрам процессора, чтобы снизить запросы CPU в более отдалённую и медленную память. У современных настольных платформ иерархия кэша включает целых три уровня, которые предваряют доступ к оперативной памяти. Причём кэши второго и, в частности, третьего уровней служат не только для буферизации данных. Их цель заключается в предотвращении перегрузки шины процессора, когда ядрам необходимо обменяться информацией.

Попадания и промахи

Эффективность архитектуры кэшей измеряется процентом попаданий. Запросы данных, которые могут быть удовлетворены кэшем, считаются попаданиями. Если данный кэш не содержит нужные данные, то запрос передаётся дальше по конвейеру памяти, и засчитывается промах. Конечно, промахи приводят к большему времени, которое требуется для получения информации. В результате в вычислительном конвейере появляются "пузырьки" (простои) и задержки. Попадания, напротив, позволяют поддержать максимальную производительность.

Запись в кэш, эксклюзивность, когерентность

Политики замещения диктуют, как в кэше освобождается место под новые записи. Поскольку данные, записываемые в кэш, рано или поздно должны появиться в основной памяти, системы могут делать это одновременно с записью в кэш (write-through) или могут маркировать данные области как "грязные" (write-back), а выполнять запись в память тогда, когда она будет вытесняться из кэша.

Данные в нескольких уровнях кэша могут храниться эксклюзивно, то есть без избыточности. Тогда вы не найдёте одинаковых строчек данных в двух разных иерархиях кэша. Либо кэши могут работать инклюзивно, то есть нижние уровни кэша гарантированно содержат данные, присутствующие в верхних уровнях кэша (ближе к процессорному ядру). У AMD Phenom используются эксклюзивный кэш L3, а Intel следует стратегии инклюзивного кэша. Протоколы когерентности следят за целостностью и актуальностью данных между разными ядрами, уровнями кэшей и даже процессорами.

Объём кэша

Больший по объёму кэш может содержать больше данных, но при этом наблюдается тенденция увеличения задержек. Кроме того, большой по объёму кэш потребляет немалое количество транзисторов процессора, поэтому важно находить баланс между "бюджетом" транзисторов, размером кристалла, энергопотреблением и производительностью/задержками.

Ассоциативность

Записи в оперативной памяти могут привязываться к кэшу напрямую (direct-mapped), то есть для копии данных из оперативной памяти существует только одна позиция в кэше, либо они могут быть ассоциативны в n-степени (n-way associative), то есть существует n возможных расположений в кэше, где могут храниться эти данные. Более высокая степень ассоциативности (вплоть до полностью ассоциативных кэшей) обеспечивает наилучшую гибкость кэширования, поскольку существующие данные в кэше не нужно переписывать. Другими словами, высокая n-степень ассоциативности гарантирует более высокий процент попаданий, но при этом увеличивается задержка, поскольку требуется больше времени на проверку всех этих ассоциаций для попадания. Как правило, наибольшая степень ассоциации разумна для последнего уровня кэширования, поскольку там доступна максимальная ёмкость, а поиск данных за пределами этого кэша приведёт к обращению процессора к медленной оперативной памяти.

Приведём несколько примеров: у Core i5 и i7 используется 32 кбайт кэша L1 с 8-way ассоциативностью для данных и 32 кбайт кэша L1 с 4-way для инструкций. Понятно желание Intel, чтобы инструкции были доступны быстрее, а у кэша L1 для данных был максимальный процент попаданий. Кэш L2 у процессоров Intel обладает 8-way ассоциативностью, а кэш L3 у Intel ещё "умнее", поскольку в нём реализована 16-way ассоциативность для максимизации попаданий.

Однако AMD следует другой стратегии с процессорами Phenom II X4, где используется кэш L1 с 2-way ассоциативностью для снижения задержек. Чтобы компенсировать возможные промахи ёмкость кэша была увеличена в два раза: 64 кбайт для данных и 64 кбайт для инструкций. Кэш L2 имеет 8-way ассоциативность, как и у дизайна Intel, но кэш L3 у AMD работает с 48-way ассоциативностью. Но решение выбора той или иной архитектуры кэша нельзя оценивать без рассмотрения всей архитектуры CPU. Вполне естественно, что практическое значение имеют результаты тестов, и нашей целью как раз была практическая проверка всей этой сложной многоуровневой структуры кэширования.

Кэш-память процессора позволяет получать данные с очень высокой скоростью, значительно ускоряя вычисления. В кэш – память помещаются данные, которые часто требуются процессору. Это позволяет не затрачивать лишнее время на считывание данных из оперативной памяти. Если процессор запрашивает данные, которые отсутствуют в кэш-памяти, то запрос передается через шину памяти в оперативную память, а затем найденные данные отправляются в процессор. Не трудно догадаться, что на такой запрос уходит довольно много времени. Чтобы рассказать вам, как устроена кэш-память, мы будем использовать аналогию с обычной библиотекой.

Предположим, что у нас есть библиотека с одним библиотекарем. В библиотеку приходит посетитель и просит достать ему первую часть Гарри Поттера. Библиотекарь идет к книжным полкам, находит книгу и приносит ее посетителю. Он, пролистав, отдает ее обратно библиотекарю, который относит и ставит книгу обратно на полку. Допустим, следом приходит еще один посетитель и просит то же самое. Цикл повторяется снова. Вот так же работает и система, у которой нет кэш-памяти.

Для чего процессору нужна кэш-память?

Теперь, давайте посмотрим, что произойдет, если у нас есть в наличие кэш-память. Представим, что наш библиотекарь сидит за столом, в котором есть ящик, который будет служить ему в качестве кэш – памяти. Процедура та же - первый посетитель дает заявку на книгу, но когда она возвращается библиотекарю, то он не относит ее на полку, а помещает в ящик, находящийся в столе. Когда придет другой посетитель и тоже закажет ту же самую книгу, то библиотекарю не надо будет за ней никуда идти, он просто возьмет ее из ящика. Аналогичным образом работает и кэш – память процессора. Каждый раз, когда запрашиваются новые данные, процессор ищет их сначала в кэш-памяти. Подобная мера позволяет многократно увеличить скорость работы процессора.

Кэш-память хранит только наиболее часто используемые элементы данных?

Нет, кэш-память является довольно интеллектуально продвинутой памятью, в которую помещаются также и те данные, которые, вероятно, будут востребованы в ближайшее время. Продолжая нашу аналогию с библиотекарем, это можно объяснить следующим образом. Когда посетитель просит библиотекаря достать ему первую часть Гарри Поттера, то наш догадливый библиотекарь также берет с полки и вторую часть Гарри Поттера, резонно полагая, что посетитель, прочитав первую часть, в скором времени попросит и вторую. И когда тот ее просит, то она тут же достается из того же ящика стола. Аналогичным образом, когда кэш-память извлекает элементы данных из основной памяти, она также выбирает данные, которые находятся по адресам, рядом с затребованными данными. Эти рядом расположенные блоки данных, которые передаются в кэш, называется строки кэша.

Два уровня кэш-памяти процессора

Большинство жестких дисков и некоторых других компонентов компьютера используют всего один уровень кэш – памяти. В отличие от них, кэш – память процессора является двухуровневой, в которой кэш 1-го уровня (L1) меньше и быстрее, а кэш 2-го уровня немного медленнее первого, но при этом намного быстрее, чем оперативная память. Кэш L1 разделен на две части, а именно, на кэш команд и на кэш данных. В кэше команд хранится набор инструкций, которые необходимы процессору для вычислений, в то время как кэш данных хранит значения, которые необходимы для текущего исполнения. Кэш L2 отвечает за загрузку данных из основной памяти. Опять же, возвращаясь к нашей библиотеке.

Рассмотрим, например, ящик библиотекаря как кэш L1. В один из сильно загруженных работой дней, когда посетителей много, спрос на книги велик, а ящик в столе заполнен, возникает риск его переполнения. В этом случае на помощь библиотекарю приходит рядом стоящий книжный шкаф (L2). В него библиотекарь будет складывать книги, когда не останется места в ящике стола. Теперь, когда у него спросят некоторые популярные книги, то он сначала посмотрит в ящик стола и если не найдет там запрашиваемой книги, то пойдет к книжному шкафу. Который, как вы, наверное, догадались, в нашей аналогии играет роль кэш-памяти второго уровня.

Аналогичным образом, в процессоре, когда кэш L1заполнен, данные сохраняются в кэш-память L2. Процессор в первую очередь ищет данные в первом кэше L1, и если они не будут найдены, то далее разыскиваются в L2. Если данные не будут найдены в L2, то следует запрос в оперативную память, и в последнюю очередь запрос делается к жесткому диску.

Чем больше кэш, тем лучше?

На этот вопрос можно ответить одновременно и, да и нет. Больший объем кэша позволяет быстро получать данные в случае, если они доступны в любом из уровней L1 и L2. Вернемся к нашему примеру с библиотекой. Если посетитель попросит какую – либо популярную книгу, которая не хранится библиотекарем в ящике стола или в книжном шкафу, то он сначала поищет ее в ящике, а затем перейдет к книжному шкафу. То есть некоторое количество времени будет тратиться впустую, прежде чем книга, наконец, будет извлечена с книжной полки библиотеки. Так же и процессор сначала проверяет кэш первого уровня (L1), затем второго (L2) и только после этого, отправляет запрос в оперативную память. Когда данные обнаруживаются в кэше, то это называется «попаданием», в противоположном случае – «промахом»

Таким образом, в процессе поиска данных в двух уровнях кэша, многопроцессорного времени фактически тратится зря. Элементы данных периодически обновляются и заменяются с использованием различных алгоритмов, чтобы максимизировать случаи попадания в кэш.

Многие сейчас, вероятно, сделали однозначный вывод, если кэш-память работает столь быстро, то почему бы не реализовать ее достаточно большой, с тем, чтобы все данные, с которыми работает оперативная память, хранить в кэше. Однако не все так просто, кэш память обеспечивает быстрый доступ к найденным, но при этом сам иерархический поиск данных влечет за собой большие ресурсные расходы. Поэтому наиболее предпочтительным вариантом является оптимальный баланс между скоростью поиска данных и размером кэш-памяти.

Насколько важен кэш L3 для процессоров AMD?

По крайней мере, в теории. Недавно AMD анонсировала процессор Athlon II X4 , представляющий собой модель Phenom II X4 без кэша L3, намекая на то, что он не такой и необходимый. Мы решили напрямую сравнить два процессора (с кэшем L3 и без), чтобы проверить, как кэш влияет на производительность.

Нажмите на картинку для увеличения.

Как работает кэш?

Попадания и промахи

Запись в кэш, эксклюзивность, когерентность

Объём кэша

Ассоциативность

Каждый современный процессор имеет выделенный кэш, которых хранит инструкции и данные процессора, готовые к использованию практически мгновенно. Этот уровень обычно называют первым уровнем кэширования или L1, впервые такой кэш появился у процессоров 486DX. Недавно процессоры AMD стали стандартно использовать по 64 кбайт кэша L1 на ядро (для данных и инструкций), а процессоры Intel используют по 32 кбайт кэша L1 на ядро (тоже для данных и инструкций)

Кэш первого уровня впервые появился на процессорах 486DX, после чего он стал составной функцией всех современных CPU.

Кэш второго уровня (L2) появился на всех процессорах после выхода Pentium III, хотя первые его реализации на упаковке были в процессоре Pentium Pro (но не на кристалле). Современные процессоры оснащаются до 6 Мбайт кэш-памяти L2 на кристалле. Как правило, такой объём разделяется между двумя ядрами на процессоре Intel Core 2 Duo, например. Обычные же конфигурации L2 предусматривают 512 кбайт или 1 Мбайт кэша на ядро. Процессоры с меньшим объёмом кэша L2, как правило, относятся к нижнему ценовому уровню. Ниже представлена схема ранних реализаций кэша L2.

У Pentium Pro кэш L2 находился в упаковке процессора. У последовавших поколений Pentium III и Athlon кэш L2 был реализован через отдельные чипы SRAM, что было в то время очень распространено (1998, 1999).

Последовавшее объявление техпроцесса до 180 нм позволило производителям, наконец, интегрировать кэш L2 на кристалл процессора.

Первые двуядерные процессоры просто использовали существующие дизайны, когда в упаковку устанавливалось два кристалла. AMD представила двуядерный процессор на монолитном кристалле, добавила контроллер памяти и коммутатор, а Intel для своего первого двуядерного процессора просто собрала два одноядерных кристалла в одной упаковке.

Впервые кэш L2 стал использоваться совместно двумя вычислительными ядрами на процессорах Core 2 Duo. AMD пошла дальше и создала свой первый четырёхъядерный Phenom "с нуля", а Intel для своего первого четырёхъядерного процессора вновь использовала пару кристаллов, на этот раз уже два двуядерных кристалла Core 2, чтобы снизить расходы.

Кэш третьего уровня существовал ещё с первых дней процессора Alpha 21165 (96 кбайт, процессоры представлены в 1995) или IBM Power 4 (256 кбайт, 2001). Однако в архитектурах на основе x86 кэш L3 впервые появился вместе с моделями Intel Itanium 2, Pentium 4 Extreme (Gallatin, оба процессора в 2003 году) и Xeon MP (2006).

Первые реализации давали просто ещё один уровень в иерархии кэша, хотя современные архитектуры используют кэш L3 как большой и общий буфер для обмена данными между ядрами в многоядерных процессорах. Это подчёркивает и высокая n-степень ассоциативности. Лучше поискать данные чуть дольше в кэше, чем получить ситуацию, когда несколько ядер используют очень медленный доступ к основной оперативной памяти. AMD впервые представила кэш L3 на процессоре для настольных ПК вместе с уже упоминавшейся линейкой Phenom. 65-нм Phenom X4 содержал 2 Мбайт общего кэша L3, а современные 45-нм Phenom II X4 имеют уже 6 Мбайт общего кэша L3. У процессоров Intel Core i7 и i5 используется 8 Мбайт кэша L3.

Современные четырёхъядерные процессоры имеют выделенные кэши L1 и L2 для каждого ядра, а также большой кэш L3, являющийся общим для всех ядер. Общиё кэш L3 также позволяет обмениваться данными, над которыми ядра могут работать параллельно.

Браузеры. Компьютер. Социальные сети. Программы