Меню Закрыть

Зачем нужна кэш память

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, оперативная память – 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.

Кэш микропроцессора — кэш (сверхоперативная память), используемый микропроцессором компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти. Является одним из верхних уровней иерархии памяти [1] . Кэш использует небольшую, очень быструю память (обычно типа SRAM), которая хранит копии часто используемых данных из основной памяти. Если большая часть запросов в память будет обрабатываться кэшем, средняя задержка обращения к памяти будет приближаться к задержкам работы кэша.

Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. В случае успеха проверки процессор производит операцию, используя кэш, что значительно быстрее использования более медленной основной памяти. Подробнее о задержках памяти см. Латентность SDRAM: tCAS, tRCD, tRP, tRAS.

Данные между кэшем и памятью передаются блоками фиксированного размера, также называемые линиями кэша (англ. cache line ) или блоками кэша.

Большинство современных микропроцессоров для компьютеров и серверов имеют как минимум три независимых кэша: кэш инструкций для ускорения загрузки машинного кода, кэш данных для ускорения чтения и записи данных и буфер ассоциативной трансляции (TLB) для ускорения трансляции виртуальных (логических) адресов в физические, как для инструкций, так и для данных. Кэш данных часто реализуется в виде многоуровневого кэша (L1, L2, L3).

Читайте также:  Laptop что это такое

Увеличение размера кэш-памяти может положительно влиять на производительность почти всех приложений [2] , хотя в некоторых случаях эффект незначителен [3] . Работа кэш-памяти обычно прозрачна для программиста, однако для её эффективного использования в некоторых случаях применяются специальные алгоритмические приёмы, изменяющие порядок обхода данных в ОЗУ или повышающие их локальность (например, при блочном умножении матриц) [4] .

Содержание

Принцип работы [ править | править код ]

Данный раздел описывает типичный кэш данных и некоторые виды кэшей инструкций; TLB может быть устроен сложнее, а кэш инструкций — проще. На диаграмме справа изображены основная и кэш-память. Каждая строка — группа ячеек памяти содержит данные, организованные в кэш-линии. Размер каждой кэш-линии может различаться в разных процессорах, но для большинства x86-процессоров он составляет 64 байта. Размер кэш-линии обычно больше размера данных, к которому возможен доступ из одной машинной команды (типичные размеры от 1 до 16 байт). Каждая группа данных в памяти размером в 1 кэш-линию имеет порядковый номер. Для основной памяти этот номер является адресом памяти с отброшенными младшими битами. В кэше каждой кэш-линии дополнительно ставится в соответствие тег, который является адресом продублированных в этой кэш-линии данных в основной памяти.

При доступе процессора в память сначала производится проверка, хранит ли кэш запрашиваемые из памяти данные. Для этого производится сравнение адреса запроса со значениями всех тегов кэша, в которых эти данные могут храниться. Случай совпадения с тегом какой-либо кэш-линии называется попаданием в кэш (англ. cache hit ), обратный же случай называется кэш-промахом (англ. cache miss ). Попадание в кэш позволяет процессору немедленно произвести чтение или запись данных в кэш-линии с совпавшим тегом. Отношение количества попаданий в кэш к общему количеству запросов к памяти называют рейтингом попаданий (англ. hit rate ), оно является мерой эффективности кэша для выбранного алгоритма или программы.

В случае промаха в кэше выделяется новая запись, в тег которой записывается адрес текущего запроса, а в саму кэш-линию — данные из памяти после их прочтения либо данные для записи в память. Промахи по чтению задерживают исполнение, поскольку они требуют запроса данных в более медленной основной памяти. Промахи по записи могут не давать задержку, поскольку записываемые данные сразу могут быть сохранены в кэше, а запись их в основную память можно произвести в фоновом режиме. Работа кэшей инструкций во многом похожа на вышеприведенный алгоритм работы кэша данных, но для инструкций выполняются только запросы на чтение. Кэши инструкций и данных могут быть разделены для увеличения производительности (принцип, используемый в Гарвардской архитектуре) или объединены для упрощения аппаратной реализации.

Для добавления данных в кэш после кэш-промаха может потребоваться вытеснение (англ. evict ) ранее записанных данных. Для выбора замещаемой строки кэша используется эвристика, называемая политика замещения (англ. replacement policy ). Основной проблемой алгоритма является предсказание, какая строка вероятнее всего не потребуется для последующих операций. Качественные предсказания сложны, и аппаратные кэши используют простые правила, такие, как LRU. Пометка некоторых областей памяти как некэшируемых (англ. non cacheable ) улучшает производительность за счёт запрета кэширования редко используемых данных. Промахи для такой памяти не создают копию данных в кэше.

При записи данных в кэш должен существовать определенный момент времени, когда они будут записаны в основную память. Это время контролируется политикой записи (англ. write policy ). Для кэшей со сквозной записью (англ. write-through ) любая запись в кэш приводит к немедленной записи в память. Другой тип кэшей, обратная запись англ. write-back (иногда также называемый copy-back), откладывает запись на более позднее время. В таких кэшах отслеживается состояние кэш-линеек ещё не сброшенных в память (пометка битом «грязный» англ. dirty ). Запись в память производится при вытеснении подобной строки из кэша. Таким образом, промах в кэше, использующем политику обратной записи, может потребовать двух операций доступа в память, один для сброса состояния старой строки и другой — для чтения новых данных.

Существуют также смешанные политики. Кэш может быть со сквозной записью (англ. write-through ), но для уменьшения количества транзакций на шине записи могут временно помещаться в очередь и объединяться друг с другом.

Данные в основной памяти могут изменяться не только процессором, но и периферией, использующей прямой доступ к памяти, или другими процессорами в многопроцессорной системе. Изменение данных приводит к устареванию их копии в кэше (состояние stale). В другой реализации, когда один процессор изменяет данные в кэше, копии этих данных в кэшах других процессоров будут помечены как stale. Для поддержания содержимого нескольких кэшей в актуальном состоянии используется специальный протокол кэш когерентности.

Структура записи в кэше [ править | править код ]

Типичная структура записи в кэше

тегиндекссмещение

Адрес памяти разделяется (от старших бит к младшим) на Тег, индекс и смещение. Длина поля индекса равна ⌈ log 2 ⁡ ( c a c h e _ r o w s ) ⌉ <displaystyle lceil log _<2>(cache\_rows)
ceil > бит и соответствует ряду (строке) кэша, используемой для записи. Длина смещения равна ⌈ log 2 ⁡ ( d a t a _ b l o c k s ) ⌉ <displaystyle lceil log _<2>(data\_blocks)
ceil > .

Ассоциативность [ править | править код ]

Ассоциативность является компромиссом. Проверка большего числа записей требует больше затрат энергии, площади чипа, и, потенциально, времени. Если бы существовало 10 мест, в которые алгоритм вытеснения мог бы отобразить место в памяти, тогда проверка наличия этого места в кэше потребовала бы просмотра 10 записей в кэше. С другой стороны, кэши с высокой ассоциативностью подвержены меньшему количеству промахов (см. ниже "конфликтующие промахи") и процессор тратит меньше времени на чтения из медленной основной памяти. Существует эмпирическое наблюдение, что удвоение ассоциативности (от прямого отображения к 2-канальной или от 2- к 4-канальной) имеет примерно такое же влияние на интенсивность попаданий (hit rate), что и удвоение размера кэша. Увеличение ассоциативности свыше 4 каналов приносит меньший эффект для уменьшения количества промахов (miss rate) и обычно производится по другим причинам, например, из-за пересечения виртуальных адресов.

Читайте также:  Asus p5ld2 se rev

В порядке ухудшения (увеличения длительности проверки на попадание) и улучшения (уменьшения количества промахов):

  1. кэш прямого отображения (англ. direct mapped cache ) — наилучшее время попадания и, соответственно, лучший вариант для больших кэшей;
  2. 2-канальный множественно-ассоциативный кэш англ. 2-way set associative cache ;
  3. 2-канальный skewed ассоциативный кэш (англ. «the best tradeoff for …. caches whose sizes are in the range 4K-8K bytes» — André Seznec );
  4. 4-канальный множественно-ассоциативный кэш (англ. 4-way set associative cache );
  5. полностью ассоциативный кэш, англ. fully associative cache — наилучший (самый низкий) процент промахов (miss rate) и лучший вариант при чрезвычайно высоких затратах при промахе (miss penalty).

    Псевдоассоциативный кэш [ править | править код ]

    Виды промахов [ править | править код ]

    Промах по чтению из кэша инструкций. Обычно дает очень большую задержку, поскольку процессор не может продолжать исполнение программы (по крайней мере, текущего потока исполнения) и вынужден простаивать в ожидании загрузки инструкции из памяти.

    Промах по чтению из кэша данных. Обычно дает меньшую задержку, поскольку инструкции, не зависящие от запрошенных данных, могут продолжать исполняться, пока запрос обрабатывается в основной памяти. После получения данных из памяти можно продолжать исполнение зависимых инструкций.

    Промах по записи в кэш данных. Обычно дает наименьшую задержку, поскольку запись может быть поставлена в очередь и последующие инструкции практически не ограничены в своих возможностях. Процессор может продолжать свою работу, кроме случаев промаха по записи с полностью заполненной очередью.

    Категории промахов (Three Cs) [ править | править код ]

    • Compulsory misses — промахи, вызванные первым упоминанием запрошенного адреса. Размеры кэшей и их ассоциативность не влияют на количество данных промахов. Предвыборка (prefetching), как программная, так и аппаратная, может помочь, так же, как и увеличение размера кэш-линии (в качестве вида аппаратной предвыборки). Такие промахи иногда называются "холодными".
    • Capacity misses — промахи, вызванные исключительно конечным размером кэша, происходящие вне зависимости от степени ассоциативности или размера кэш-линии. График таких промахов относительно размера кэша может дать некоторую меру временной локальности (temporal locality) некоторого набора запросов в память. Стоит заметить, что не существует понятия полного кэша, пустого кэша или почти полного кэша, так как кэши процессора почти все время имеют кэш-линии в занятом состоянии, и, значит, практически каждое заведение новой линии потребует гашения уже занятой.
    • Conflict misses — промахи, вызванные конфликтом. Их можно избежать, если бы кэш не вытеснил запись ранее. Можно дополнительно разделить на промахи, вызванные отображением (конкретным значением ассоциативности) и промахи замещения, которые вызваны конкретным алгоритмом выбора записей для замещения.

    Трансляция адресов [ править | править код ]

    Большая часть процессоров общего назначения реализует какой-либо вариант виртуальной памяти. Кратко говоря, каждая программа, исполняющаяся на машине, видит собственное упрощенное адресное пространство, содержащее код и данные только этой программы. Любая программа использует своё виртуальное адресное пространство вне зависимости от его местоположения в физической памяти.

    Наличие виртуальной памяти требует от процессора проведения трансляции виртуальных (математических) адресов, используемых программой, в физические адреса, соответствующие реальному местоположению в ОЗУ. Часть процессора, проводящая это преобразование, называется устройство управления памятью (MMU). Для ускорения трансляций в MMU добавлен кэш недавно использованных отображений (соответствий виртуальных и физических адресов), называемый Translation Lookaside Buffer (TLB).

    Для дальнейшего описания важны три особенности процесса трансляции адресов:

    • Задержка: Физический адрес будет получен от MMU только спустя некоторое время, вплоть до нескольких тактов, после подачи на вход MMU виртуального адреса с генератора адресов.
    • Эффект наложения: Несколько виртуальных адресов могут соответствовать одному физическому. В большинстве процессоров гарантируется, что все записи по физическому адресу будут совершены в порядке, заданном программой. Для выполнения этого свойства требуется проверка, что только один экземпляр копии данных с физического адреса находится в данный момент в кэше.
    • Единица отображения: Виртуальное адресное пространство разбито на страницы — блоки памяти фиксированного размера, начинающиеся с адресов, кратных их размеру. Например, 4 ГБ адресного пространства можно разделить на 1048576 страниц по 4 КБ, для каждой из которых возможно независимое соответствие физическим страницам. В современных процессорах часто поддерживается использование одновременно нескольких размеров страниц, например, 4 КБ и 2 МБ для x86-64, а в некоторых современных AMD-процессорах ещё и 1 ГБ.

    Важно также заметить, что первые системы виртуальной памяти были очень медленными, потому что они требовали проверки таблицы страниц (хранимой в основной ОЗУ) перед любым программным обращением в память. Без использования кэширования для отображений такие системы уменьшают скорость работы с памятью примерно в 2 раза. Поэтому использование TLB очень важно и иногда его добавление в процессоры предшествовало появлению обычных кэшей данных и инструкций.

    По отношению к виртуальной адресации кэши данных и инструкций могут быть поделены на 4 типа. Адреса в кэшах используются для двух разных целей: индексирования и тегирования.

    • Physically indexed, physically tagged (PIPT) — физически индексируемые и физически тегируемые. Такие кэши просты и избегают проблем с наложением (aliasing), но они медленны, так как перед обращением в кэш требуется запрос физического адреса в TLB. Этот запрос может вызвать промах в TLB и дополнительное обращение в основную память перед тем, как наличие данных будет проверено в кэше.
    • Virtually indexed, virtually tagged (VIVT) — виртуально индексируемые и виртуально тегируемые. И для тегирования, и для индекса используется виртуальный адрес. Благодаря этому проверки наличия данных в кэше происходят быстрее, не требуя обращения к MMU. Однако возникает проблема наложения, когда несколько виртуальных адресов соответствуют одному и тому же физическому. В этом случае данные будут закэшированы дважды, что сильно усложняет поддержку когерентности. Другой проблемой являются омонимы, ситуации, когда один и тот же виртуальный адрес (например, в разных процессах) отображается различные физические адреса. Становится невозможным различить такие отображения исключительно по виртуальному индексу. Возможные решения: сброс кэша при переключении между задачами (context switch), требование непересечения адресных пространств процессов, тегирование виртуальных адресов идентификатором адресного пространства (address space >[5] .
    Читайте также:  Выходное напряжение блока питания ноутбука

    Скорость этих действий (задержка загрузки из памяти) критически важна для производительности процессоров, и поэтому большинство современных L1-кэшей являются виртуально индексируемыми, что как минимум позволяет блоку MMU производить запрос в TLB одновременно с запросом данных их кэш-памяти.

    Виртуальное тегирование и механизм vhints [ править | править код ]

    Но виртуальная индексация не является лучшим выбором для других уровней кэша. Стоимость обнаружения пересечения виртуальных адресов (aliasing) растет с увеличением размера кэша и, в результате, большинство реализаций L2 и более дальних от процессора уровней кэша используют индексирование по физическим адресам

    Достаточно длительное время кэши использовали для тегов как физические, так и виртуальные адреса, хотя виртуальное тегирование в настоящее время встречается очень редко. Если TLB-запрос заканчивается раньше запроса в кэш-память, физический адрес будет доступен для сравнения с тегом к моменту, когда это будет необходимо, и, следовательно, виртуальное тегирование не потребуется. Большие кэши чаще тегируются физическими адресами, и только небольшие быстродействующие кэши используют для тегов виртуальные адреса. В современных процессорах общего назначения, виртуальное тегирование заменено на механизм vhints, описанный далее.

    Выбирая процессор, рядовой покупатель в первую очередь смотрит на такие характеристики, как количество ядер и тактовую частоту. Но есть и ещё один важный параметр, который следует учитывать при покупке — объем кэш памяти.

    Итак, насколько важна эта характеристика и влияет на скорость вычислений?

    Зачем нужна кэш память

    В компьютере используется несколько типов памяти. HDD/SSD для долгосрочного хранения информации. ОЗУ (RAM), которая при потере питания сбрасывает всё содержимое. Важное различие между ними — это скорость доступа к их данным.

    Для общего понимания следует знать, что программы состоят из набора команд. При запуске, они копируются с жесткого диска в оперативную память, а процессору указывается адрес ячейки, где находится стартовая команда. Выполнив её, результат записывается опять в оперативную память. Именно так всё работает, если отбросить важную деталь.

    Процессоры давно способны выполнять такое количество команд в секунду, что их доставка из ОЗУ тормозит ход работы. Чтобы минимизировать эти задержки, задействуется сверхбыстрая кэш память и специальный контроллер внутри самого процессора. Контроллер по сложным алгоритмам предугадывает, какие данные в ближайшее время могут понадобиться и копирует их в кэш. Но на этом всё не заканчивается. Поступившие данные распределяются по уровням.

    Уровни кэша: L1, L2 и L3

    Кэш процессора разделен на три основных уровня: L1, L2 и L3. Отличаются они скоростью доступа и размером.

    • Кэш L1 (уровень 1) — это самая быстрая память которая присутствует в компьютере. С точки зрения приоритета, L1 содержит данные и команды, которые понадобятся в первую очередь. Размер обычно достигает 256 КБ, хотя некоторые топовые процессоры (типа Intel Xeon) могут иметь более 1 МБ.
    • Кэш L2 (уровень 2) медленнее, но больше по размеру. Объем в диапазоне от 256 КБ до 8 МБ. Содержит данные, которые также могут скоро потребоваться, но не уместились в L1. Память первых двух уровней встроена прямо в ядро процессора. То есть, у каждого ядра она своя.
    • Кэш L3 (уровень 3) — самая медленная из них, но и самая большая. Размер может достигать 62 МБ. Физически располагается непосредственно внутри кристалла процессора, что позволяет обращаться к её содержимому намного быстрее, чем к ячейкам оперативной памяти.

    Когда процессор ищет данные для выполнения операции, то он последовательно начинает просматривать все уровни, начиная с L1 и заканчивая L3. Если поиск завершился неудачей, то приходиться обращаться к оперативной памяти, а это вызывает задержку в работе. Поэтому, чем объемней кэш, тем больше вероятность нахождения в нем нужных данных, а значит меньше задержек.

    Влияние на скорость работы

    Размер кэш памяти влияет на скорость работы программ, но почти всегда этот прирост незначителен за счет массы других факторов. Например, если производитель вдруг увеличит у конкретной модели процессора кэш L3 с 4 МБ до 8 МБ, то в лучшем случае, при выполнении некоторых приложений, получим прирост производительности на 10%. А при обычной работе это будет всего около 2%.

    Таким образом, можно сделать вывод, что ориентироваться на объем кэш памяти при покупке процессора стоит в последнюю очередь. Хотя прогресс не стоит на месте и появляются новые идеи в устранении задержек при работе с данными. Например, компания Intel уже провела ряд экспериментов по внедрению кэша 4 уровня и останавливаться на этом не собирается.

    Пример объема L3 буфера разных процессоров с примерной стоимостью:

    Intel Celeron G49502 МБ5 000 руб.
    Intel Celeron G45003 МБ4 500 руб.
    AMD Ryzen 3 3200G4 МБ6 500 руб.
    Intel Core i3-9100F6 МБ6 500 руб.
    AMD Ryzen 5 14008 МБ6 000 руб.
    Intel Core i5-9400F8 МБ9 000 руб.
    Intel Xeon E5-2623 v410 МБ35 000 руб.
    Intel Core i7-9700F12 МБ23 000 руб.
    AMD Ryzen 7 270016 МБ14 000 руб.
    Intel Core i9-990016 МБ35 000 руб.
    Intel Xeon E5-2609 v420 МБ22 000 руб.
    Intel Xeon E5-2650 v430 МБ80 000 руб.
    AMD Ryzen 9 3900X62 МБ50 000 руб.

    Рекомендуем к прочтению

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    *

    code

    Adblock
    detector