Кэширование памяти

Производительность ПК зависит не только от процессора. Большой потенциал производительности ПК связан с организацией и способом функционирования памя­ти. Важную роль при этом играет кэш-память.

Кэш-память выполняет функцию буфера между процессором и оперативной памятью.

Буфер – область памяти, используемая для временного хранения информации.

Данные, которые процессор уже получил из оперативной памяти, остаются в быст­рой кэш-памяти, несмотря на то, что они уже обработаны. Подра­зумевается, что при обмене данными и при выполнении большо­го числа операций процессор будет часто запрашивать одни и те же данные и команды. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти.

При отсутствии кэш-памяти данные каждый раз считываются из относительно медленной оперативной памяти компьютера. Процессор прерывает свою текущую работу и ждет, пока будут получены необходимые данные для дальнейшей обработки.

При наличии кэш-памяти данные находятся в специально предназначенной для процессора исключительно быстрой памя­ти, и при их запросе циклы ожидания отсутствуют.

При управлении кэш-памятью речь идет не о простой памяти, организованной по принципу стека, которая теряет старые данные, если в нее считываются новые. С помощью специальных алгорит­мов, наиболее простым из которых является алгоритм LRU (Least Recently Used – алгоритм удаления наиболее давно использовавшихся данных), чаще используемые данные хранятся в этой памяти доль­ше, чем другие. Благодаря этому необходимость доступа к основ­ной памяти сводится к минимуму, и компьютер в целом работает быстрей.

В современных компьютерах кэш обычно строится по двухуровневой схеме. Первич­ный кэш (LI Cache) встроен во все процессоры класса 486 и выше; это внутренний кэш. Объем этого кэша невелик (8-32 Кбайт). Чтобы повысить производитель­ность, для данных и команд часто используется раздельный кэш (так называемая Гарвардская архитектура – противоположность Принстонской, использующей общую память для команд и данных). Вторичный кэш (L2 Cache) для процессо­ров 486 и Pentium является внешним (устанавливается на системной плате), а у Р6 и Pentium 4 располагается в одной упаковке с ядром и подключается к специальной внутрен­ней шине процессора, благодаря чему обеспечивается работа на полной тактовой частоте процессора.

Кэш-контроллер должен обеспечивать когерентность (coherency) – согласован­ность данных кэш-памяти обоих уровней с данными в основной памяти при том условии, что обращение к этим данным может производиться не только процессо­ром, но и другими активными (bus master) адаптерами, подключенными к шинам (PCI, VLB, ISA и т. д.). Следует также учесть, что процессоров может быть несколь­ко, и у каждого может быть свой внутренний кэш.

Кэш-память первого уровня, интегрированная внутри процессо­ра, работает на полной внутренней тактовой частоте процессора, кэш-память второго уровня обычно работает на внешней тактовой частоте процессора.

Архитектура современных 32-разрядных процессоров включает ряд средств кэши­рования памяти: два уровня кэша инструкций и данных (LI Cache и L2 Cache), буферы ассоциативной трансляции (TLB) блока страничной переадресации и буферы записи. Эти средства в разных вариациях (на кристалле, картридже про­цессора или на системной плате) представлены в системах с процессорами 486, Pentium, Р6 и Pentium 4.

Процессор Pentium III имеет L2-кэш объемом 256 Кбайт, который работает на тактовой частоте, равной тактовой частоте ядра. У процессора Pentium 4 L2-кэш имеет объем 256 Кбайт, работает на тактовой частота ядра, обмен данными с ядром процессора идет по 256-битной шине.