Кэш
В процессорах семейства
Pentium, опять-таки для повышения производительности компьютера, серьезной доработке
подвергся механизм кэширования оперативной памяти.
Тактовая частота ядра современных
процессоров в настоящее время возросла в 1000 раз и превысила 2000 МГц, а вот
частотные характеристики оперативной памяти сильно отстают. Например, модули
дешевой динамической памяти работают на частоте всего 133 МГц.
Разрыв обозначился уже
при появлении первых 16-разрядных процессоров. Микросхемы памяти, которые могли
работать на той же скорости, что и процессор, оказались слишком дорогими для
применения в персональных компьютерах. А дешевые микросхемы динамической памяти,
которые позволяли хранить много данных, увы, не отличались быстродействием.
Поэтому разработчики компьютеров использовали принцип организации памяти, который
применяли в больших ЭВМ.
Так как процессор в каждый
момент времени работает с ограниченным адресным пространством, то необходимые
для текущей работы данные можно хранить в дорогостоящих, но быстрых микросхемах.
Основная же память выполняется на медленных, но зато дешевых микросхемах, позволяющих
хранить много данных. Поэтому процессор, используя такое разделение памяти,
большую часть времени использует быструю память и обращается к основной только
при необходимости. Такой вид быстродействующей памяти был назван кэшем (от англ,
cache — склад, тайник).
Технология изготовления
процессоров совершенствовалась. Возможности кэша, выполненного на отдельных
микросхемах и расположенного на системной плате, были быстро исчерпаны. Для
дальнейшего повышения производительности компьютера кэш решили разделить на
две части — традиционный кэш на системной плате оставили неизменным, а на кристалле
процессора организовали еще один кэш, который должен работать на тактовой частоте
процессора. Такой принцип организации памяти был реализован в некоторых 386
процессорах, а, начиная с процессоров Intel 486, стал обязателен. Кэш, расположенный
на кристалле процессора, получил название — первичный кэш (LI Cache) или внутренний
кэш.
В дальнейшем, для эффективного
использования 64-разрядной шины в семействе процессоров Pentium добавили еще
два уровня — вторичный кэш L2 Cache и L3 Cache.
Кэширование памяти является
"прозрачным" для программ и программистов, т. е. процессор и чипсет
системной платы в большинстве случаев сами определяют необходимые данные, которые
будут храниться в кэше. Кроме того, они следят за тем, чтобы данные в кэше и
основной памяти соответствовали друг другу, т.к. к оперативной памяти может
обращаться не только процессор, но и внешние устройства.
Механизм кэширования в
каждом из последующих типов процессоров Pentium подвергался серьезной доработке.
Фактически, в современных процессорах на кристалле вместе с блоками обработки
данных расположена внутренняя оперативная память — кэш, которая по своим размерам
превосходит объем всей памяти (ОЗУ, винчестер), которой когда-то оперировал
компьютер с процессором 386. Следует заметить, что размер первичного кэша чаще
всего бывает равен 8, 16 или 32 Кбайт, а вторичного — 256 или 512 Кбайт. Хотя,
например, в некоторых процессорах вторичный кэш может достигать и 1 Мбайт или
вообще отсутствовать. У новейших процессоров внешний кэш не применяется.
Чтобы понять сложность
организации механизма кэширования данных, надо учесть, что каждый уровень кэша
работает на своей тактовой частоте. Например, первичный кэш должен действовать
на частоте ядра процессора. Вторичный кэш (внутренний) часто синхронизируется
на половинной частоте ядра процессора. Внешний кэш, самый медленный, использует
частоту системной платы, которая в большинстве случаев не превышает 133 МГц.
