Wat is l1-, l2- en l3-cache en hoe werkt het?

Heb je ooit gehoord van cache L1, L2 en L3 ? Zeker ja, maar als je niet zeker weet wat deze cacheniveaus werkelijk betekenen, zullen we in dit artikel proberen alles zo goed mogelijk uit te leggen. Vanaf nu zult u de geheugenkenmerken van een processor beter begrijpen.

U weet al dat een van de belangrijkste componenten van een computer het geheugen is, we spreken natuurlijk van het RAM-geheugen, dat waar alle programma's en het besturingssysteem zijn geladen, zodat ze door de processor worden gebruikt of toegang tot de schijf nodig hebben moeilijk.

RAM is veel sneller dan een harde schijf, vooral dan mechanische schijven. Maar er is nog steeds een sneller geheugen in onze computer, met name in onze processor, en dit is het cachegeheugen, wat we vandaag zullen zien.

Inhoudsindex

Wat is het cachegeheugen van een CPU

Het eerste dat we moeten weten, is wat de cache in het algemeen is. Zoals we al hebben gezegd, zijn er binnen een pc verschillende soorten geheugen en precies is het cachegeheugen het snelste van allemaal.

Opslagniveaus

Om te beginnen hebben we in de eerste stap de primaire opslag, wat ongetwijfeld harde schijven zijn. Daarin wordt alle informatie permanent opgeslagen, van daaruit maakt het besturingssysteem een ​​functionele pc. Het is het langzaamste geheugen, variërend van ongeveer 150 MB / s op een harde schijf (mechanische harde schijf) tot de indrukwekkende 3.500 MB / s van de snelste SSD's op de markt.

Ten tweede hebben we willekeurig toegankelijk geheugen of RAM. Het is een kleiner solid-state geheugen, dat niet in staat is om permanent gegevens op te slaan en fungeert als een gateway tussen de harde schijf en de processor. Het biedt een snelheid van meer dan 30.000 MB / s in DDR4. Geheugen wordt ook DRAM (Dynamic RAM) genoemd omdat het constant moet worden bijgewerkt om te voorkomen dat er informatie verloren gaat.

Het derde niveau, het snelste

En tenslotte komen we bij degene bovenaan, de cache. Het is een heel klein geheugen dat in zijn eigen microprocessor is geïnstalleerd en van het SRAM-type (Static RAM). Het is veel duurder om te produceren dan normaal RAM en kan gegevens bevatten zonder constant te worden bijgewerkt.

Het feit dat het in de CPU is geïnstalleerd, maakt het het dichtst bij de verwerkingskernen, en daarom moet het verdomd snel zijn. In feite bereikt het snelheden van meer dan 200 GB / s en latenties van ongeveer 10 of 11 ns (nanoseconden). Het cachegeheugen is verantwoordelijk voor het opslaan van de instructies die binnenkort door de CPU zullen worden verwerkt, zodat deze er zo snel mogelijk toegang toe heeft.

Het cachegeheugen is op zijn beurt onderverdeeld in verschillende niveaus, elk sneller, kleiner en dichter bij de processor. Processors hebben momenteel in totaal drie niveaus van cachegeheugen. Laten we, voordat we hierop ingaan, even kijken hoe een cache werkt.

Hoe caching werkt

Je weet het misschien niet, maar praktisch alle randapparatuur en elementen van een computer hebben hun eigen cachegeheugen, bijvoorbeeld de harde schijven zelf, de printer en natuurlijk de GPU's van de grafische kaarten. En de functie van allemaal, inclusief die van een CPU, zal hetzelfde zijn.

Zoals we weten, is een computer "slim" dankzij het besturingssysteem en zijn programma's. Elk van deze programma's is gemaakt vanuit een programmeertaal, wat op zijn beurt een set instructies is die op een ordelijke manier in de CPU moeten worden uitgevoerd. We zeggen op een ordelijke manier omdat het op dit punt zinvol is om verschillende opslagniveaus vast te stellen.

De gegevens worden op een vaste manier opgeslagen op de harde schijven, maar omdat ze zo traag zijn en "zo ver" verwijderd zijn van de CPU, worden ze eerder in het geheugen RAM geladen, een veel snellere opslag en alleen gebruikt voor de programma's die in bedrijf.

De geheugencontroller komt in het spel

Maar het is nog steeds niet genoeg, omdat de CPU's van vandaag zo snel zijn en in staat zijn om elke seconde miljoenen bewerkingen op elke kern uit te voeren, komt de cache binnen. In de CPU bevindt zich een geheugencontroller, wat eigenlijk de noordbrug of noordbrug was en een chip op het moederbord was geïnstalleerd. Welnu, deze geheugencontroller bevindt zich nu in de CPU en is verantwoordelijk voor het uit het RAM halen van de instructies die zullen worden uitgevoerd, en ook voor het retourneren van de resultaten van de verwerkingscyclus.

Maar er zijn ook twee soorten bussen die verantwoordelijk zijn voor het communiceren van de CPU met het RAM-geheugen, ze worden databus en adresbus genoemd:

• Databus: het zijn in feite de sporen waar de data en instructies circuleren. Er komt een databus die de RAM, cache en cores met elkaar communiceert. Adresbus: het is een onafhankelijk kanaal waar de CPU het geheugenadres opvraagt waar de gegevens zich bevinden. De instructies worden opgeslagen in geheugencellen, die een adres hebben, en zowel het RAM, de cache als de CPU moeten het weten om de betreffende gegevens te lokaliseren.

L1-, L2- en L3-cache

We begrijpen inmiddels al ongeveer hoe opslag op een pc werkt en hoe caching werkt. Maar we moeten weten dat er een cache L1, L2 en L3 in de CPU zit, het lijkt ongelooflijk dat zoiets kleins zoveel past toch? Zorg voor deze drie niveaus van cachegeheugen voor een hiërarchie van snelheid en natuurlijk capaciteit.

L1 cachegeheugen

De L1-cache is de snelste configuratie, degene die zich het dichtst bij de kernen bevindt. Dit slaat de gegevens op die onmiddellijk door de CPU zullen worden gebruikt, en daarom zijn de snelheden ongeveer 1150 GB / s en is de latentie slechts 0, 9 ns.

De grootte van dit cachegeheugen is in totaal ongeveer 256 KB, hoewel het afhankelijk van het CPU-vermogen (en de kosten) minder of meer zal zijn, in feite hebben Workstation-processors zoals de Intel Core i9-7980 XE enkele 1152 KB in totaal.

Deze L1-cache is verdeeld in twee typen, de L1-gegevenscache en de L1-instructiecache, de eerste is verantwoordelijk voor het opslaan van de te verwerken gegevens en de tweede slaat de informatie op over de uit te voeren bewerking (optellen, aftrekken, vermenigvuldigen, enz.).

Bovendien heeft elke kern zijn eigen L1-caches, dus als we een 6-coreprocessor hebben, hebben we 6 L1-caches verdeeld in L1 D en L1 I.In Intel-processors is elk 32 KB en in AMD-processors zijn ook 32 KB of 64 KB op L1 I. Natuurlijk zullen ze, zoals altijd, variëren naargelang de kwaliteit en het vermogen.

L2 cachegeheugen

De volgende die we zullen vinden, is de L2- of niveau 2-cache. Dit heeft meer opslagcapaciteit, hoewel het iets langzamer zal zijn, ongeveer 470 GB / s en een latentie van 2, 8 ns. De opslaggrootte varieert meestal tussen 256 KB en 18 MB. We zien al dat het aanzienlijke capaciteiten zijn voor de snelheden die we hanteren.

Instructies en gegevens worden erin opgeslagen en zullen binnenkort door de CPU worden gebruikt, en in dit geval zijn ze niet onderverdeeld in instructies en gegevens. Maar we hebben wel een L2-cache voor elke kern, althans dit is het geval bij de meest relevante processors. Voor elke kern zijn er meestal 256, 512 of maximaal 1024 KB.

L3 cachegeheugen

Eindelijk zullen we de L3-cache vinden, die een speciale ruimte ervoor heeft op de processorchip. Het zal de grootste en ook de langzaamste zijn, we hebben het over meer dan 200 GB / s en 11 ns latentie.

Momenteel zal een waardige processor minimaal 4 MB L3-cache hebben en schijven tot 64 MB kunnen worden gezien. De L3 is meestal verdeeld over ongeveer 2 MB per kern, maar laten we zeggen dat deze zich niet in elke kern bevindt, dus er is een databus om met hen te communiceren. De solvabiliteit en snelheid van een CPU hangen grotendeels af van deze bus en het RAM-geheugen zelf, en hier haalt Intel zijn kracht uit AMD.

Hoe de cache L1, L2 en L3 van mijn processor te kennen

Welnu, een van de snelste manieren om deze informatie te kennen, is door de CPU-Z-tool te downloaden, die volledig gratis is en u zeer volledige informatie over uw CPU zal geven. Zelfs de drie niveaus en de hoeveelheid opslagruimte voor elk. Je kunt het downloaden van de officiële website.

Je kunt ook het merk en het model in de browser plaatsen en naar de pagina van de fabrikant gaan, hoewel ze meestal alleen informatie geven over de L3-cache. Natuurlijk geven we bij al onze review van processors volledige informatie over de cache van elke CPU en we benchmarken de prestaties ervan.

Latentie, busbreedte en gebrek aan cache

We hebben begrepen dat gegevens via alle geheugenniveaus van de harde schijf naar de verwerkingskern stromen. Waar de processor eerst zoekt naar de volgende te verwerken instructie, bevindt zich in het cachegeheugen, een kwaliteitssysteem moet weten hoe de gegevens correct te lokaliseren op basis van hun belang om de toegangstijden tot deze gegevens, die latentie wordt genoemd, tot een minimum te beperken..

Latentie is dan de tijd die nodig is om toegang te krijgen tot gegevens uit het geheugen. Hoe verder en langzamer, hoe hoger de latentie en hoe langer de CPU zal moeten wachten op de volgende instructie. Dus wanneer een instructie zich niet in het cachegeheugen bevindt, moet de processor deze rechtstreeks in het RAM-geheugen zoeken, dit wordt een gebrek aan cache of missingscache genoemd, dit is wanneer een langzamere pc wordt ervaren.

De busbreedte is ook van groot belang voor de snelheid, omdat het de mogelijkheid markeert om grotere blokken gegevens uit het geheugen over te dragen naar de CPU. Zowel CPU als RAM zijn 64 bits, maar de Dual Channel- functie kan deze capaciteit verdubbelen tot 128 bits, zodat de overdracht tussen deze elementen een grotere capaciteit heeft.

Conclusie over het cache-geheugen van L1, L2 en L3

We kijken altijd veel naar het aantal cores en de snelheid van een processor, het is duidelijk dat het grotendeels de totale snelheid ervan bepaalt. Maar een element waar soms geen rekening mee wordt gehouden, is het cachegeheugen, en het is essentieel als het gaat om het hebben van een krachtige processor.

Het hebben van een 6-core CPU met bijvoorbeeld 4 of 16 MB L3-cache zal erg belangrijk zijn als het gaat om het meten van de prestaties, vooral wanneer we meerdere open programma's hebben. Dus kijk vanaf nu goed naar dit gedeelte als je besluit een processor aan te schaffen, want niet alles hangt af van de frequentie.

We hebben meer interessante tutorials over dit onderwerp, dus hier laten we ze achter:

We raden ook onze bijgewerkte hardwaregidsen aan:

We hopen dat al deze informatie nuttig voor u is geweest om meer te weten te komen over de processors en het cachegeheugen. Als je vragen hebt, kun je die stellen in het opmerkingenveld. Tot ziens in de volgende tutorial!