Τι είναι η μνήμη l1, l2 και l3 και πώς λειτουργεί;

Έχετε ακούσει ποτέ την κρυφή μνήμη L1, L2 και L3; Σίγουρα ναι, αλλά αν δεν είστε σίγουροι τι σημαίνουν αυτά τα επίπεδα κρυφής μνήμης, σε αυτό το άρθρο θα προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε τα πάντα με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Από τώρα και στο εξής θα κατανοήσετε καλύτερα τα χαρακτηριστικά μνήμης ενός επεξεργαστή.

Θα γνωρίζετε ήδη ότι ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία ενός υπολογιστή είναι η μνήμη του, μιλάμε φυσικά μνήμης RAM, εκείνη όπου όλα τα προγράμματα και το λειτουργικό σύστημα φορτώνονται έτσι ώστε να χρησιμοποιούνται από τον επεξεργαστή ή την ανάγκη πρόσβασης στο δίσκο σκληρό.

Η μνήμη RAM είναι πολύ πιο γρήγορη από ό, τι ένας σκληρός δίσκος, ειδικά από τους μηχανικούς δίσκους. Αλλά υπάρχει ακόμα πιο γρήγορη μνήμη στον υπολογιστή μας, ειδικά στον επεξεργαστή μας, και αυτή είναι η μνήμη cache, κάτι που θα δούμε σήμερα.

Ευρετήριο περιεχομένων

Τι είναι η μνήμη cache μιας CPU

Το πρώτο πράγμα που θα πρέπει να ξέρουμε είναι ποια είναι η κρυφή μάζα γενικά. Όπως έχουμε ήδη πει, σε ένα PC υπάρχουν διάφοροι τύποι μνήμης και ακριβώς η μνήμη cache θα είναι η ταχύτερη από όλους.

Επίπεδα αποθήκευσης

Αρχικά, στο πρώτο βήμα θα έχουμε την κύρια αποθήκευση, η οποία αναμφίβολα είναι σκληροί δίσκοι. Σε αυτές όλες οι πληροφορίες αποθηκεύονται μόνιμα, από αυτό το λειτουργικό σύστημα δημιουργεί ένα λειτουργικό υπολογιστή. Είναι η πιο αργή μνήμη, από περίπου 150MB / s σε HDD (μηχανικός σκληρός δίσκος) έως τα εντυπωσιακά 3.500MB / s από τα ταχύτερα SSD στην αγορά.

Δεύτερον, θα έχουμε μνήμη τυχαίας προσπέλασης ή μνήμη RAM. Πρόκειται για μια μικρότερη μνήμη στερεάς κατάστασης, η οποία δεν είναι σε θέση να αποθηκεύει μόνιμα δεδομένα και λειτουργεί ως πύλη μεταξύ του σκληρού δίσκου και του επεξεργαστή. Προσφέρει ταχύτητα μεγαλύτερη από 30.000 MB / s σε DDR4. Η μνήμη ονομάζεται επίσης DRAM (Dynamic RAM) επειδή πρέπει να ενημερώνεται συνεχώς για να αποφευχθεί η απώλεια πληροφοριών.

Το τρίτο επίπεδο, το ταχύτερο

Και τελικά φτάνουμε στο ένα στο επάνω μέρος, στην κρυφή μνήμη. Είναι μια πολύ μικρή μνήμη που είναι εγκατεστημένη στο εσωτερικό του μικροεπεξεργαστή και του τύπου SRAM (Static RAM). Είναι πολύ πιο ακριβό στην κατασκευή από την κανονική μνήμη RAM και μπορεί να διατηρεί δεδομένα χωρίς να ενημερώνεται συνεχώς.

Το γεγονός ότι είναι εγκατεστημένο εντός της CPU το καθιστά πλησιέστερο στους πυρήνες επεξεργασίας και γι 'αυτό πρέπει να είναι γρήγορο. Στην πραγματικότητα, φτάνει ταχύτητες άνω των 200 GB / s και λανθάνουσες περιόδους περίπου 10 ή 11 ns (νανοδευτερόλεπτα). Η μνήμη προσωρινής μνήμης είναι υπεύθυνη για την αποθήκευση των οδηγιών που πρόκειται να επεξεργαστούν άμεσα από την CPU, ώστε να έχει πρόσβαση σε αυτές όσο το δυνατόν γρηγορότερα.

Με τη σειρά του, η μνήμη cache χωρίζεται σε διάφορα επίπεδα, το καθένα πιο γρήγορα, μικρότερο και πιο κοντά στον επεξεργαστή. Οι επεξεργαστές έχουν επί του παρόντος συνολικά τρία επίπεδα προσωρινής μνήμης μέσα. Πριν φτάσουμε σε αυτό, ας ρίξουμε μια γρήγορη ματιά στο πώς λειτουργεί μια μνήμη cache.

Πώς λειτουργεί η προσωρινή αποθήκευση

Μπορεί να μην το ξέρετε, αλλά σχεδόν όλα τα περιφερειακά και τα στοιχεία ενός υπολογιστή έχουν τη μνήμη μνήμης τους, για παράδειγμα, οι ίδιοι οι σκληροί δίσκοι, ο εκτυπωτής και φυσικά οι GPU των καρτών γραφικών. Και η λειτουργία όλων αυτών, συμπεριλαμβανομένης της λειτουργίας μιας CPU, θα είναι η ίδια.

Όπως γνωρίζουμε, ένας υπολογιστής είναι "έξυπνος" χάρη στο λειτουργικό σύστημα και τα προγράμματά του. Κάθε ένα από αυτά τα προγράμματα δημιουργείται από μια γλώσσα προγραμματισμού, η οποία με τη σειρά της είναι ένα σύνολο οδηγιών που πρέπει να εκτελούνται κατά τρόπο ομαλό στην CPU. Λέμε με τρόπο ομαλό, διότι στο σημείο αυτό έχει νόημα η καθιέρωση διαφορετικών επιπέδων αποθήκευσης.

Τα δεδομένα αποθηκεύονται με σταθερό τρόπο στους σκληρούς δίσκους, αλλά επειδή είναι τόσο αργά και είναι "μέχρι στιγμής" από την CPU, φορτώνονται στη μνήμη RAM μπροστά, πολύ ταχύτερη αποθήκευση και χρησιμοποιούνται μόνο για τα προγράμματα που είναι σε λειτουργία.

Ο ελεγκτής μνήμης μπαίνει σε λειτουργία

Αλλά δεν είναι ακόμα αρκετό, επειδή οι σημερινοί επεξεργαστές είναι τόσο γρήγοροι και ικανοί να εκτελούν εκατομμύρια λειτουργίες κάθε δευτερόλεπτο σε κάθε πυρήνα, εισέρχεται η κρυφή μνήμη. Μέσα στην CPU υπάρχει ένας ελεγκτής μνήμης, ο οποίος βασικά ήταν ονομάζεται στο παρελθόν η βόρεια γέφυρα ή η βόρεια γέφυρα και ήταν ένα τσιπ που εγκαταστάθηκε στη μητρική πλακέτα. Λοιπόν, αυτός ο ελεγκτής μνήμης είναι τώρα μέσα στο CPU και είναι υπεύθυνος για τη λήψη των εντολών που πρόκειται να εκτελεστούν από τη μνήμη RAM, αλλά και για την επιστροφή των αποτελεσμάτων του κύκλου επεξεργασίας.

Υπάρχουν όμως και δύο τύποι λεωφορείων που είναι υπεύθυνοι για την επικοινωνία της CPU με τη μνήμη RAM, καλούνται λεωφορείο δεδομένων και δίαυλος διεύθυνσης:

• Δίαυλος δεδομένων: είναι βασικά οι διαδρομές όπου κυκλοφορούν τα δεδομένα και οι οδηγίες. Θα υπάρχει ένας δίαυλος δεδομένων που επικοινωνεί μεταξύ τους τη μνήμη RAM, την κρυφή μνήμη και τους πυρήνες. Διαύλου διεύθυνσης: είναι ένα ανεξάρτητο κανάλι όπου η CPU ζητά τη διεύθυνση μνήμης όπου βρίσκονται τα δεδομένα. Οι οδηγίες αποθηκεύονται σε κελιά μνήμης, τα οποία έχουν διεύθυνση, και τόσο η μνήμη RAM, η μνήμη cache και η CPU πρέπει να την γνωρίζουν για να εντοπίσουν τα εν λόγω δεδομένα.

L1, L2 και L3 cache

Μέχρι τώρα, καταλαβαίνουμε ήδη κατά προσέγγιση πώς λειτουργεί η αποθήκευση σε έναν υπολογιστή και πώς λειτουργεί η προσωρινή αποθήκευση. Αλλά πρέπει να ξέρουμε ότι υπάρχει μια κρυφή μνήμη L1, L2 και L3 μέσα στην CPU, φαίνεται απίστευτο ότι κάτι τόσο μικρό ταιριάζει τόσο σωστά; Για αυτά τα τρία επίπεδα μνήμης cache εξυπηρετεί μια ιεραρχία ταχύτητας και φυσικά, της χωρητικότητας.

Μνήμη cache L1

Η μνήμη cache L1 είναι η ταχύτερη διαμόρφωση, η πιο κοντινή στους πυρήνες. Αυτό αποθηκεύει τα δεδομένα που θα χρησιμοποιηθούν αμέσως από την CPU και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι ταχύτητες είναι περίπου 1150 GB / s και η λανθάνουσα κατάσταση είναι μόλις 0, 9 ns.

Το μέγεθος αυτής της μνήμης cache είναι περίπου 256 KB συνολικά, αν και ανάλογα με την ισχύ της CPU (και το κόστος) θα είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη, στην πραγματικότητα επεξεργαστές σταθμών εργασίας όπως το Intel Core i9-7980 XE έχουν κάποια 1152 KB συνολικά.

Αυτή η κρυφή μνήμη L1 χωρίζεται σε δύο τύπους, η μνήμη cache δεδομένων L1 και η μνήμη C1 της εντολής L1, η πρώτη είναι υπεύθυνη για την αποθήκευση των προς επεξεργασία δεδομένων και η δεύτερη αποθηκεύει τις πληροφορίες για την πράξη που πρέπει να εκτελεστεί (προσθήκη, αφαίρεση, πολλαπλασιασμός, κ.λπ.).

Επιπλέον, κάθε πυρήνας έχει τις δικές του κρυφές μνήμες L1, οπότε αν διαθέτουμε έναν επεξεργαστή 6 πυρήνων, θα έχουμε 6 μνήμες L1 χωρισμένες σε L1 D και L1 Ι. Στους επεξεργαστές Intel κάθε ένα είναι 32 KB, και Οι επεξεργαστές AMD είναι επίσης 32 KB ή 64 KB σε L1. Φυσικά θα ποικίλουν ανάλογα με την ποιότητα και την ισχύ, όπως πάντα.

L2 μνήμη cache

Το επόμενο που θα βρούμε είναι η μνήμη cache L2 ή 2. Αυτό έχει μεγαλύτερη χωρητικότητα αποθήκευσης, αν και θα είναι λίγο πιο αργή, περίπου 470 GB / s και 2.8 ns λανθάνουσα κατάσταση. Το μέγεθος αποθήκευσης κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 256 KB και 18 MB. Βλέπουμε ήδη ότι είναι σημαντικές ικανότητες για τις ταχύτητες που αντιμετωπίζουμε.

Οι οδηγίες και τα δεδομένα αποθηκεύονται σε αυτό και σύντομα θα χρησιμοποιηθούν από την CPU και στην περίπτωση αυτή δεν χωρίζεται σε οδηγίες και δεδομένα. Αλλά έχουμε μια L2 cache για κάθε πυρήνα, τουλάχιστον αυτό συμβαίνει με τους πιο σχετικούς επεξεργαστές. Για κάθε πυρήνα υπάρχουν συνήθως 256, 512 ή έως 1024 KB.

Μνήμη cache L3

Τέλος, θα βρούμε την L3 cache, η οποία διαθέτει ένα ειδικό χώρο για το τσιπ επεξεργαστή. Θα είναι το μεγαλύτερο και επίσης το πιο αργό, μιλάμε για περισσότερα από 200 GB / s και 11 ns λανθάνουσας κατάστασης.

Επί του παρόντος, ένας αξιόλογος επεξεργαστής πρόκειται να έχει τουλάχιστον 4MB κρυφής μνήμης L3 και μπορεί να δει ο δίσκος έως και 64MB. Το L3 είναι συνήθως διανεμημένο σε περίπου 2MB ανά πυρήνα, αλλά ας πούμε ότι δεν είναι μέσα σε κάθε πυρήνα, έτσι υπάρχει ένα δίαυλο δεδομένων για να επικοινωνήσει μαζί τους. Η φερεγγυότητα και η ταχύτητα μιας CPU εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από αυτό το λεωφορείο και από την ίδια τη μνήμη RAM και αυτό είναι όπου η Intel παίρνει τη δύναμή της από την AMD.

Πώς να γνωρίζετε την κρυφή μνήμη L1, L2 και L3 του επεξεργαστή μου

Λοιπόν, ένας από τους πιο γρήγορους τρόπους για να γνωρίζετε αυτές τις πληροφορίες είναι να κατεβάσετε το εργαλείο CPU-Z, το οποίο είναι εντελώς δωρεάν και θα σας παρέχει πολύ ολοκληρωμένες πληροφορίες σχετικά με την CPU σας. Ακόμα και τα τρία επίπεδα και το μέγεθος της αποθήκευσης για το καθένα. Μπορείτε να το κατεβάσετε από την επίσημη ιστοσελίδα της.

Θα μπορούσατε επίσης να βάλετε τη μάρκα και το μοντέλο στο πρόγραμμα περιήγησης και να κατευθυνθείτε στη σελίδα του κατασκευαστή, αν και συνήθως παρέχουν μόνο πληροφορίες σχετικά με την προσωρινή μνήμη L3. Φυσικά, σε όλες τις αναθεωρήσεις των επεξεργαστών μας δίνουμε πλήρεις πληροφορίες σχετικά με την κρυφή μνήμη κάθε CPU και συγκρίνουμε την απόδοσή της.

Καθυστέρηση, πλάτος λεωφορείου και έλλειψη κρυφής μνήμης

Έχουμε καταλάβει ότι τα δεδομένα ρέουν από τον σκληρό δίσκο στον πυρήνα επεξεργασίας μέσω όλων των επιπέδων μνήμης. Όταν ο επεξεργαστής ψάχνει για πρώτη φορά την επόμενη εντολή για επεξεργασία, βρίσκεται στη μνήμη cache, ένα σύστημα ποιότητας θα πρέπει να γνωρίζει πώς να εντοπίζει σωστά τα δεδομένα με βάση τη σημασία του, προκειμένου να ελαχιστοποιήσει τους χρόνους πρόσβασης σε αυτά, που ονομάζεται λανθάνουσα κατάσταση.

Η καθυστέρηση είναι τότε ο χρόνος που χρειάζεται για την πρόσβαση στα δεδομένα από τη μνήμη. Η μακρύτερη και πιο αργή, μεγαλύτερη καθυστέρηση και η CPU θα πρέπει να περιμένει την επόμενη εντολή της. Έτσι, όταν μια εντολή δεν βρίσκεται στη μνήμη προσωρινής μνήμης, ο επεξεργαστής πρέπει να το ψάξει απευθείας στη μνήμη RAM, αυτό λέγεται έλλειψη κρυφής μνήμης ή κενής μνήμης cache, αυτό συμβαίνει όταν υπάρχει πιο αργός Η / Υ.

Το πλάτος του διαύλου είναι επίσης πολύ σημαντικό για την ταχύτητα, καθώς σηματοδοτεί τη δυνατότητα μεταφοράς μεγαλύτερων μονάδων δεδομένων από τη μνήμη στην CPU. Τόσο η CPU όσο και η μνήμη RAM είναι 64 bit, αλλά η λειτουργία διπλού καναλιού είναι ικανή να διπλασιάσει αυτή την χωρητικότητα στα 128 bit έτσι ώστε η μεταφορά μεταξύ αυτών των στοιχείων να έχει μεγαλύτερη χωρητικότητα.

Συμπέρασμα σχετικά με τη μνήμη cache L1, L2 και L3

Παρατηρούμε πάντα τον αριθμό των πυρήνων και την ταχύτητα του επεξεργαστή, είναι σαφές ότι καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τη συνολική ταχύτητα του. Αλλά ένα στοιχείο που μερικές φορές δεν λαμβάνεται συνήθως υπόψη είναι η μνήμη cache, και είναι απαραίτητο όταν πρόκειται για ένα ισχυρό επεξεργαστή.

Έχοντας μια CPU 6 πυρήνα με 4 ή 16 MB μνήμης cache L3 για παράδειγμα, θα είναι πολύ σημαντική όταν πρόκειται για τη μέτρηση της απόδοσής της, ειδικά όταν έχουμε πολλαπλά ανοιχτά προγράμματα. Έτσι, από τώρα και στο εξής, να ρίξετε μια καλή ματιά σε αυτό το τμήμα όταν αποφασίζετε να αγοράσετε έναν επεξεργαστή, γιατί δεν εξαρτάται από τη συχνότητα.

Έχουμε πιο ενδιαφέροντα μαθήματα σε αυτό το θέμα, οπότε αφήνουμε τα εξής:

Συνιστούμε επίσης τους ενημερωμένους οδηγούς υλικού μας:

Ελπίζουμε ότι όλες αυτές οι πληροφορίες ήταν χρήσιμες για να μάθετε περισσότερα για τους επεξεργαστές και τη μνήμη cache. Αν έχετε ερωτήσεις μπορείτε να μας ρωτήσετε στο πλαίσιο σχολίων. Θα σας δούμε στο επόμενο σεμινάριο!