Устройства ЭВМ: КЭШ-память
Реферат ученика 8Г класса Гринченко Евгения
Москва, Гимназия №1567
Сентябрь 2004 г.
Кэш-память
– это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором
компьютера для временного хранения информации. Она увеличивает
производительность, поскольку хранит наиболее часто используемые данные и
команды «ближе» к процессору, откуда их можно быстрее получить.
Кэш-память
напрямую влияет на скорость вычислений и помогает процессору работать с более
равномерной загрузкой. Представьте себе массу информации, используемой в школе.
Небольшие объемы информации, необходимой в первую очередь, висят на стене над
столом. Точно так же вы храните под рукой информацию по текущим урокам. Реже
используемые справочники лежат на полке, рядом со столом. Литература, к которой
вы обращаетесь совсем редко, занимает полки книжного шкафа.
Компьютеры
хранят данные аналогично. Когда приложение начинает работать, данные и команды
переносятся с медленного жесткого диска в оперативную память произвольного
доступа, откуда процессор может быстро их получить. Оперативная память
выполняет роль кэша для жесткого диска.
Существует
два типа кэш-памяти: внутренняя (от 8 до 64 Кбайт) – размещается внутри
процессора и внешняя ( от 256 Кбайт до 1Мбайт устанавливается на системной
плате.
Хотя
оперативная память намного быстрее диска, тем не менее и она не успевает за
потребностями процессора. Поэтому данные, которые требуются часто, переносятся
на следующий уровень быстрой памяти, называемой кэш-памятью второго уровня. Она
может располагаться на отдельной высокоскоростной микросхеме статической
памяти, установленной в непосредственной близости от процессора ( в новых
процессорах кэш-память второго уровня интегрирована непосредственно в
микросхему процессора.)
На
более высоком уровне информация, используемая чаще всего, хранится в специальной секции процессора,
называемой кэш-памятью первого уровня. Это самая быстрая память.
Процессор
Pentium III имеет кэш-память первого
уровня емкостью 32 Кбайт на микросхеме процессора и либо кэш-память второго
уровня емкостью 256 Кбайт на микросхеме, либо кэш-память второго уровня
емкостью 512 Кбайт, не интегрированную с процессором.
Когда
процессору нужно выполнить команду, он сначала анализирует состояние своих
регистров данных. Если необходимых данных в регистрах нет, он обращается к
кэш-памяти первого уровня, а затем – кэш-памяти второго уровня. Если данных нет
ни в одной кэш-памяти, процессор обращается к оперативной памяти. И только в
том случае, если нужных данных нет и там, он считывает данные с жесткого диска.
Когда
процессор обнаруживает данные в одном из КЭШей, это называют «попаданием»,
неудачу называет «промахом». Каждый промах вызывает задержку, поскольку
процессор будет пытаться обнаружить данные на другом, более медленном уровне. В
хорошо спроектированных системах с программными алгоритмами, которые выполняют
предварительную выборку данных до того, как они потребуются, процент
«попаданий» может достигать 90.
Частота
промахов при обращении к кэш-памяти может быть значительно снижена за счет
увеличения емкости КЭШа. Но большая кэш-память требует больше энергии,
генерирует больше тепла и увеличивает число бракованных микросхем при
производстве.
Один
из способов обойти эти трудности – передача логики управления кэш-памятью от
аппаратного обеспечения к программному.
Управляемая
программным образом кэш-память сейчас существует лишь в исследовательских
лабораториях.