Что такое кэш процессора?

Кэш – это часть памяти, которая обеспечивает максимальную скорость доступа и ускоряет скорость вычисления. Он хранит в себе части данных, которые процессор запрашивает наиболее часто, так что процессору нет необходимости постоянно за ними обращаться к памяти системы.

Как вы знаете, – это часть оборудования компьютера, которая характеризуется наиболее медленными скоростями обмена данными. Если процессору понадобится какая-то информация, он отправляется за ней к оперативной памяти по одноимённой шине. Получив от процессора запрос, та начинает копаться в своих анналах в поисках нужных процессору данных. По получению ОЗУ пересылает их обратно в процессор по той же шине памяти. Такой круг для обмена данными всегда был длинноват. Потому производители и решили, что можно было бы позволить процессору хранить данные где-нибудь поблизости. Принцип работы кэша основан на простой идее.

Представьте, что память – это школьная библиотека. Ученик подходит к работнику за книжкой, та отправляется к полкам, ищет её, возвращается к студенту, должным образом оформляет и приступает к следующему ученику. В конце дня он повторяет ту же операцию, когда книги ей возвращают. Вот так работает процессор без кэша.

Зачем же нужен кэш процессору?

А теперь представьте, что библиотекарю надоело постоянно носиться туда-сюда с книгами, которые постоянно у неё требуют из года в год, изо дня в день. Он обзавёлся большой тумбой, где хранит наиболее часто запрашиваемые книги и учебники. Остальные, что положены, конечно, так и продолжают храниться на прежних полках. Но эти – всегда под рукой. Сколько же времени он сэкономил этой тумбой и себе, и остальным. Это и есть кэш.

Значит, кэш умеет сохранять только самые требуемые данные?

Да. Но он может большее. Например, уже сохраняя в себе часто требуемые данные, он способен оценить (с помощью процессора) ситуацию и затребовать информацию, которая вот-вот понадобиться. Так, клиент видео проката, затребовавший фильм «Крепкий орешек» с первой частью, скорее всего, попросит вторую. А вот она! Также и с кэшем процессора. Обращаясь к ОЗУ и сохраняя определённые данные, он извлекает и данные из соседних ячеек памяти. Такие куски данных получили название строка кэша.

Что такое двухуровневый кэш?

Современный процессор имеет два уровня. Соответственно, первый и второй. Обозначаются литерой L от английского Level. Первый – L1 – более быстрый, но по объёму невелик. Второй – L2 – чуть больше, но медленнее, но быстрее, нежели оперативная память. Кэш первого уровня делится на кэш инструкций и кэш данных. Кэш инструкций хранит в себе тех их набор, которые необходимы процессору для расчётов. Тогда как в кэше данных сохраняются величины или значения, необходимые для текущего вычисления. А кэш второго уровня используется для подгрузки данных из оперативной памяти компьютера. Принцип работы уровней кэша также можно объяснить с помощью примера школьной библиотеки. Так, заполнив купленную тумбу, библиотекарь понимает, что её уже не хватает на книги, ради которых постоянно приходится бегать по залу. Но список таких книг окончательно оформлен, и нужно купить такую же тумбу. Первую он выбрасывать не стал – жалко – и просто докупил вторую. И теперь, по мере заполняемости первой, библиотекарь начинает заполнять вторую, которая вступает в дело, когда первая заполнена, но нужные книги в неё не поместились. С уровнями кэша то же самое. И по мере развития микропроцессорной техники уровни кэша процессора растут в своих объёмах.

Кэш будет продолжать расти?

Вряд ли. Погоня за частотой процессора тоже продолжалась недолго, и производители нашли другие пути увеличения мощности. Также и с кэшем. Говоря конкретно, объём и количество уровней бесконечно раздувать нельзя. Кэш не должен превращаться в ещё одну планку оперативной памяти с медленной скоростью доступа к ней или превращать размеры процессора до уровня в половину материнской платы. Ведь скорость доступа к данным – это, прежде всего, энергопотребление и затрата производительности самого процессора. Также стали учащаться промахи кэша (в противоположность к попаданию кэша), когда процессор обращается к кэшированной памяти за данными, которых там не оказывается. Данные в кэше постоянно обновляются, используя различные алгоритмы, чтобы вероятность попадания кэша усилить.

Прочитано: 644

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.

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.

Чипы на большинстве современных настольных компьютеров имеют четыре ядра, но производители микросхем уже объявили о планах перехода на шесть ядер, а для высокопроизводительных серверов и сегодня 16-ядерные процессоры далеко не редкость.

Чем больше ядер, тем больше проблема распределения памяти между всеми ядрами при одновременной совместной работе. С увеличением числа ядер всё больше выгодно минимизировать потери времени на управлении ядрами при обработке данных - ибо скорость обмена данными отстает от скорости работы процессора и обработки данных в памяти. Можно физически обратиться к чужому быстрому кэшу, а можно к своему медленному, но сэкономить на времени передаче данных. Задача усложняется тем, что запрашиваемые программами объемы памяти не четко соответствуют объемам кэш-памяти каждого типа.

Физически разместить максимально близко к процессору можно только очень ограниченный объем памяти - кэш процесcора уровня L1, объем которого крайне незначителен. Даниэль Санчес (Daniel Sanchez), По-Ан Цай (Po-An Tsai) и Натан Бэкмен (Nathan Beckmann) - исследователи из лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института - научили компьютер конфигурировать разные виды своей памяти под гибко формируемую иерархию программ в реальном режиме времени. Новая система, названная Jenga, анализирует объемные потребности и частоту обращения программ к памяти и перераспределяет мощности каждого из 3 видов процессорного кэша в комбинациях обеспечивающих рост эффективности и экономии энергии.

Для начала исследователи протестировали рост производительности при комбинации статичной и динамической памяти в работе над программами для одноядерного процессора и получили первичную иерархию - когда какую комбинацию лучше применять. Из 2 видов памяти или из одного. Оценивались два параметра -задержка сигнала (латентность) и потребляемая энергия при работе каждой из программ. Примерно 40% программ стали работать хуже при комбинации видов памяти, остальные - лучше. Зафиксировав какие программы «любят» смешанное быстродействие, а какие - размер памяти, исследователи построили свою систему Jenga.

Они виртуально протестировали 4 виды программ на виртуальном компьютере с 36 ядрами. Тестировали программы:

• omnet - Objective Modular Network Testbed, библиотека моделирования C и платформа сетевых средств моделирования (синий цвет на рисунке)
• mcf - Meta Content Framework (красный цвет)
• astar - ПО для отображения виртуальной реальности (зеленый цвет)
• bzip2 - архиватор (фиолетовый цвет)

На картинке показано где и как обрабатывали данные каждой из программ. Буквы показывают, где выполняется каждое приложение (по одному на квадрант), цвета показывают, где находятся его данные, а штриховка указывает на второй уровень виртуальной иерархии, когда он присутствует.

Уровни кэша

Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. Для универсальных процессоров - до 3. Самой быстрой памятью является кэш первого уровня - L1-cache, поскольку расположена на одном с процессором кристалле. Состоит из кэша команд и кэша данных. Некоторые процессоры без L1 кэша не могут функционировать. L1 кэш работает на частоте процессора, и обращение к нему может производиться каждый такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно. Объём обычно невелик - не более 128 Кбайт.

С кэшем L1 взаимодействует кэш второго уровня - L2. Он является вторым по быстродействию. Обычно он расположен либо на кристалле, как и L1, либо в непосредственной близости от ядра, например, в процессорном картридже. В старых процессорах - набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования - при общем объёме кэша в 8 Мбайт на каждое ядро приходится по 2 Мбайта. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра. В задачах, связанных с многочисленными обращениями к ограниченной области памяти, например, СУБД, его полноценное использование дает рост производительность в десятки раз.

Кэш L3 обычно еще больше по размеру, хотя и несколько медленнее, чем L2 (за счет того, что шина между L2 и L3 более узкая, чем шина между L1 и L2). L3 обычно расположен отдельно от ядра ЦП, но может быть большим - более 32 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании. Применение кэша третьего уровня оправдано в очень узком круге задач и может не только не дать увеличения производительности, но наоборот и привести к общему снижению производительности системы.

Отключение кэша второго и третьего уровней наиболее полезно в математических задачах, когда объём данных меньше размера кэша. В этом случае, можно загрузить все данные сразу в кэш L1, а затем производить их обработку.

Периодически Jenga на уровне ОС реконфигурирует виртуальные иерархии для минимизации объемов обмена данных, учитывая ограниченность ресурсов и поведение приложений. Каждая реконфигурация состоит из четырех шагов.

Jenga распределяет данные не только в зависимости от того, какие программы диспетчеризируются - любящие большую односкоростную память или любящие быстродействие смешанных кэшей, но и в зависимости от физической близости ячеек памяти к обрабатываемым данным. Независимо от того - какой вид кэша требует программа по умолчанию или по иерархии. Главное чтобы минимизировать задержку сигнала и энергозатраты. В зависимости от того, сколько видов памяти «любит» программа, Jenga моделирует латентность каждой виртуальной иерархии с одним или двумя уровнями. Двухуровневые иерархии образуют поверхность, одноуровневые иерархии - кривую. Затем Jenga проектирует минимальную задержку в размерах VL1, что дает две кривые. Наконец, Jenga использует эти кривые для выбора лучшей иерархии (то есть размера VL1).

Применение Jenga дало ощутимый эффект. Виртуальный 36-ядерный чип стал работать на 30 процентов быстрее и использовал на 85 процентов меньше энергии. Конечно, пока Jenga - просто симуляция работающего компьютера и пройдет некоторое время, прежде чем вы увидите реальные примеры этого кеша и еще до того, как производители микросхем примут его, если понравится технология.

Конфигурация условной 36 ядерной машины

• Процессоры . 36 ядер, x86-64 ISA, 2.4 GHz, Silvermont-like OOO: 8B-wide
  ifetch; 2-level bpred with 512×10-bit BHSRs + 1024×2-bit PHT, 2-way decode/issue/rename/commit, 32-entry IQ and ROB, 10-entry LQ, 16-entry SQ; 371 pJ/instruction, 163 mW/core static power
• Кэши уровня L1 . 32 KB, 8-way set-associative, split data and instruction caches,
  3-cycle latency; 15/33 pJ per hit/miss
• Служба предварительной выборки Prefetchers . 16-entry stream prefetchers modeled after and validated against
  Nehalem
• Кэши уровня L2 . 128 KB private per-core, 8-way set-associative, inclusive, 6-cycle latency; 46/93 pJ per hit/miss
• Когерентный режим (Coherence) . 16-way, 6-cycle latency directory banks for Jenga; in-cache L3 directories for others
• Global NoC . 6×6 mesh, 128-bit flits and links, X-Y routing, 2-cycle pipelined routers, 1-cycle links; 63/71 pJ per router/link flit traversal, 12/4mW router/link static power
• Блоки статической памяти SRAM . 18 MB, one 512 KB bank per tile, 4-way 52-candidate zcache, 9-cycle bank latency, Vantage partitioning; 240/500 pJ per hit/miss, 28 mW/bank static power
• Многослойная динамическая память Stacked DRAM . 1152MB, one 128MB vault per 4 tiles, Alloy with MAP-I DDR3-3200 (1600MHz), 128-bit bus, 16 ranks, 8 banks/rank, 2 KB row buffer; 4.4/6.2 nJ per hit/miss, 88 mW/vault static power
• Основная память . 4 DDR3-1600 channels, 64-bit bus, 2 ranks/channel, 8 banks/rank, 8 KB row buffer; 20 nJ/access, 4W static power
• DRAM timings . tCAS=8, tRCD=8, tRTP=4, tRAS=24, tRP=8, tRRD=4, tWTR=4, tWR=8, tFAW=18 (все тайминги в tCK; stacked DRAM has half the tCK as main memory)

При выполнении различных задач в процессор вашего компьютера поступают необходимые блоки информации из оперативной памяти. Обработав их ЦП записывает полученные результаты вычислений в память и получает на обработку последующие блоки данных. Так продолжается до тех пор, пока поставленная задача не будет выполнена.

Вышеупомянутые процессы производятся на очень большой скорости. Однако скорость даже самой быстрой оперативной памяти значительно меньше скорости любого слабого процессора. Каждое действие, будь то запись на неё информации или считывание с неё занимают много времени. Скорость работы оперативной памяти в десятки раз ниже скорости процессора.

Не смотря на такую разницу в скорости обработки информации, процессор ПК не простаивает без дела и не ожидает, когда ОЗУ выдаст и примет данные. Процессор всегда работает и всё благодаря присутствию в нем кэш памяти.

Кэш — особый вид оперативной памяти. Процессор использует память кэша для хранения тех копий информации из основной оперативной памяти компьютера, вероятность обращения к которым в ближайшее время очень велика.

По сути кэш-память выполняет роль быстродействующего буфера памяти хранящего информацию, которая может потребоваться процессору. Таким образом процессор получает необходимые данные в десятки раз быстрее, чем при считывании их из оперативной памяти.

Основным отличием кэш памяти от обычного буфера являются встроенные логические функции. В буфере хранятся случайные данные, которые как правило обрабатываются по схеме » получен первым, выдан первым» либо » получен первым, выдан последним». В кэш памяти содержатся данные, вероятность обращения к которым в ближайшее время очень велика. Поэтому благодаря «умному кэшу» процессор может работать с полной скоростью и не ожидать данные, извлекаемые из более медленной оперативной памяти.

Основные типы и уровни кэш-памяти L1 L2 L3

Кэш память выполнена в виде микросхем статической оперативной памяти (SRAM), которые устанавливаются на системной плате либо встроены в процессор. В сравнении с другими видами памяти, статическая память способна работать на очень больших скоростях.

Скорость кэша зависит от объема конкретной микросхемы, Чем больше объем микросхемы, тем труднее добиться высокой скорости для её работы. Учитывая данную особенность, при изготовлении кэш память процессора выполняют в виде нескольких небольших блоков, именуемых уровнями. Самой распространенной на сегодняшний день считается трехуровневая система кеша L1,L2, L3:

Кэш память первого уровня L1 — самая маленькая по объему (всего несколько десятков килобайт), но самая быстрая по скорости и наиболее важная. Она содержит данные наиболее часто используемые процессором и работает без задержек. Обычно количество микросхем памяти уровня L1 равно количеству ядер процессора, при этом каждое ядро получает доступ только к своей микросхеме L1.

Кэш память уровня L2 по скорости уступает памяти L1, но выигрывает в объеме, который измеряется уже в нескольких сотнях килобайт. Она предназначена для временного хранения важной информации, вероятность обращения к которой ниже, чем у информации хранящейся в кэше L1.

Третий уровень кэш памяти L3 — имеет самый большой объем из трех уровней (может достигать десятков мегабайт), но и обладает самой медленной скоростью, которая всё же значительно выше скорости оперативной памяти. Кэш память L3 служит общей для всех ядер процессора. Уровень памяти L3 предназначен для временного хранения тех важных данных, вероятность обращения к которым чуть ниже, чем у информации которая хранится в первых двух уровнях L1, L2. Она также обеспечивает взаимодействие ядер процессора между собой.

Некоторые модели процессоров выполнены с двумя уровнями кэш памяти, в которых L2 совмещает все функции L2 и L3.

Когда полезен большой объем кэша.

Значительный эффект от большого объема кэша вы ощутите при использовании программ архиваторов, в 3D играх, во время обработки и кодирования видео. В относительно «легких» программах и приложениях разница практически не заметна (офисные программы, плееры и т.п).