Hoe werkt CPU-cache en wat zijn L1, L2 en L3?
Advertentie
Computerprocessoren zijn de laatste jaren behoorlijk vooruitgegaan, waarbij de grootte van transistors elk jaar kleiner wordt en vorderingen een punt bereiken waarop de wet van Moore snel overbodig wordt.
Als het gaat om processors, zijn niet alleen de transistors en frequenties van belang, maar ook de cache.
Je hebt misschien gehoord over cachegeheugen wanneer CPU's (Central Processing Units) worden besproken. We besteden echter niet al te veel aandacht aan deze cijfers, noch zijn ze echt het primaire hoogtepunt van de advertenties van deze CPU's.
Dus hoe belangrijk is CPU-cache en hoe werkt het?
Wat is CPU-cache?
Simpel gezegd, een cache is gewoon een heel snel type geheugen. Zoals u misschien weet, bevat een computer meerdere soorten geheugen. Er is een primaire opslag, zoals een harde schijf of een SSD, die het grootste deel van de gegevens opslaat - het besturingssysteem en alle programma's.
Vervolgens hebben we het Random Access Memory, beter bekend als de RAM. Dit is veel sneller dan de primaire opslag.
Ten slotte heeft de CPU nog snellere geheugeneenheden in zichzelf, die we de cache noemen.
Het geheugen in een computer heeft een hiërarchie, gebaseerd op de snelheid, en cache staat bovenaan deze hiërarchie en is de snelste. Het is ook het dichtst in de buurt van waar de centrale verwerking plaatsvindt, omdat het deel uitmaakt van de CPU zelf.
Cache is een statisch RAM (SRAM) in vergelijking met het systeem-RAM, wat een dynamisch RAM (DRAM) is. Statisch RAM is een geheugen dat gegevens kan bevatten zonder dat het voortdurend moet worden vernieuwd, in tegenstelling tot DRAM, wat SRAM ideaal maakt om te worden gebruikt voor de cache.
Hoe werkt CPU-cache?
Zoals u misschien al weet, is een programma ontworpen als een set instructies die door de CPU wordt uitgevoerd. Wanneer u een programma uitvoert, moeten deze instructies hun weg vinden van de primaire opslag naar de CPU. Dit is waar de geheugenhiërarchie een rol speelt.
De gegevens worden eerst in het RAM geladen en vervolgens naar de CPU verzonden. CPU's kunnen tegenwoordig een gigantisch aantal instructies per seconde uitvoeren. Om de kracht volledig te benutten, heeft de CPU toegang tot supersnel geheugen nodig. Dit is waar de cache binnenkomt.
De geheugencontroller doet de gegevens uit het RAM-geheugen en verzendt deze naar de cache. Afhankelijk van welke CPU zich in uw systeem bevindt, kan deze controller zich op de North Bridge-chipset op het moederbord bevinden of in de CPU zelf.
De cache voert dan het heen en weer van gegevens binnen de CPU uit. De hiërarchie van het geheugen bestaat ook in de cache.
(Als u wilt weten hoe de CPU zelf werkt, raadpleegt u ons artikel waarin de basisprincipes van CPU worden uitgelegd Wat is een CPU en wat doet het? Wat is een CPU en wat doet het? Acroniemen zijn verwarrend. Wat is een CPU? toch een CPU? En heb ik een quad- of dual-coreprocessor nodig? Hoe zit het met AMD of Intel? We zijn hier om het verschil te verklaren! Lees meer.)
De niveaus van cache: L1, L2 en L3
CPU-cache is verdeeld in drie hoofdniveaus, L1, L2 en L3. De hiërarchie is hier weer afhankelijk van de snelheid en dus de grootte van de cache.
L1 (niveau 1) cache is het snelste geheugen dat aanwezig is in een computersysteem. In termen van prioriteit van toegang heeft L1-cache de gegevens die de CPU waarschijnlijk nodig heeft tijdens het voltooien van een bepaalde taak.
Wat de grootte betreft, gaat de L1-cache meestal tot 256 KB. Sommige echt krachtige CPU's brengen het nu bijna 1 MB. Sommige serverchipsets (zoals Intel's top-end Xeon CPU's) hebben nu ergens tussen 1-2 MB L1-cache.
L1-cache wordt meestal ook op twee manieren gesplitst, in de instructiecache en de gegevenscache. De instructiecache behandelt de informatie over de bewerking die de CPU moet uitvoeren, terwijl de gegevenscache de gegevens bevat waarop de bewerking moet worden uitgevoerd.
L2 (niveau 2) cache is langzamer dan L1 cache, maar groter in omvang. De grootte varieert meestal van 256 KB tot 8 MB, hoewel de nieuwere, krachtige CPU's daar meestal voorbij gaan. L2-cache bevat gegevens die waarschijnlijk door de CPU worden benaderd. In de meeste moderne CPU's zijn de L1- en L2-caches aanwezig op de CPU-kernen zelf, waarbij elke kern zijn eigen cache krijgt.
L3 (niveau 3) cache is de grootste cache-geheugeneenheid, en ook de langzaamste. Het kan variëren van 4 MB tot maximaal 50 MB. Moderne CPU's hebben speciale ruimte op de CPU-chip voor de L3-cache en het neemt een groot deel van de ruimte in beslag.
Cache Hit of Miss and Latency
De gegevens stromen van het RAM-geheugen naar de L3-cache, vervolgens de L2 en uiteindelijk L1. Wanneer de processor gegevens zoekt om een bewerking uit te voeren, probeert deze deze eerst in de L1-cache te vinden. Als de CPU deze kan vinden, wordt de voorwaarde een cache-hit genoemd. Vervolgens gaat het verder met het vinden in L2 en vervolgens L3.
Als het de gegevens niet vindt, probeert het toegang te krijgen vanuit het hoofdgeheugen. Dit wordt een cache-misser genoemd.
Zoals we weten, is de cache ontworpen om het heen en weer schakelen van informatie tussen het hoofdgeheugen en de CPU te versnellen. De tijd die nodig is om toegang te krijgen tot gegevens uit het geheugen, wordt Latency genoemd. L1 heeft de laagste latentie, is de snelste en het dichtst bij de kern, en L3 heeft de hoogste. De latentie neemt veel toe als er een cachemis is. Dit komt omdat de CPU de gegevens uit het hoofdgeheugen moet halen.
Naarmate computers sneller en beter worden, zien we een afname van de latentie. We hebben nu DDR4 RAM met lage latentie en supersnelle SSD's met lage toegangstijden als primaire opslag, die beide de algehele latentie aanzienlijk verminderen. Als je meer wilt weten over hoe RAM werkt, hier is onze snelle en vuile gids voor RAM Een snelle en vuile gids voor RAM: wat je moet weten Een snelle en vuile gids voor RAM: wat je moet weten RAM is een cruciale onderdeel van elke computer, maar het kan verwarrend zijn. We splitsen het op in gemakkelijk te begrijpen termen die u zult begrijpen. Lees verder .
Vroeger hadden cache-ontwerpen de L2- en L3-caches buiten de CPU, wat een negatief effect had op de latentie.
De vooruitgang in fabricageprocessen met betrekking tot CPU-transistoren heeft het echter mogelijk gemaakt om miljarden transistoren in een kleinere ruimte te plaatsen dan voorheen. Als gevolg hiervan blijft er meer ruimte over voor cache, waardoor de cache zo dicht mogelijk bij de kern ligt, waardoor de latentie aanzienlijk wordt verlaagd.
De toekomst van Cache
Cache-ontwerp evolueert altijd, vooral omdat het geheugen goedkoper, sneller en dichter wordt. Intel en AMD hebben behoorlijk wat geëxperimenteerd met cache-ontwerpen, waarbij Intel zelfs experimenteerde met een L4-cache. De CPU-markt gaat nu sneller dan ooit vooruit.
Daarmee zien we zeker dat het cache-ontwerp gelijke tred houdt met de steeds groter wordende kracht van CPU's.
Bovendien wordt er veel gedaan om de knelpunten van moderne computers te verminderen. Het verminderen van geheugenlatentie is misschien wel het grootste deel ervan. De industrie werkt aan oplossingen voor hetzelfde, en de toekomst ziet er veelbelovend uit.
Je hebt misschien zelfs gehoord over Intel Optane, dat kan worden gebruikt als een soort hybride externe cache. Lees anders ons artikel over de mogelijke toepassingen van Intel Optane. Is Intel Optane-geheugen goedkoop DDR3 RAM? Is Intel Optane-geheugen goedkoop DDR3 RAM? Benieuwd wat Intel's Optane-geheugen allemaal inhoudt? Is het goedkoop RAM, of iets meer? Dit is wat u moet weten. Lees verder .
Ontdek meer over: Computergeheugen, Computeronderdelen, CPU.
