Что такое шина кэш памяти

Кэш-память играет важную роль. Без нее от высокой тактовой частоты процессора не было бы никакого проку. Кэш позволяет использовать в компьютере любую, даже самую «медленную» оперативную память, без ощутимого ущерба для его производительности.

О том, что такое кэш-память процессора, как она работает и какое влияние оказывает на быстродействие компьютера, читатель узнает из этой статьи.

Видео:Принцип работы КЭШ памятиСкачать

Что такое кэш-память процессора

Решая любую задачу, процессор компьютера получает из оперативной памяти необходимые блоки информации. Обработав их, он записывает в память результаты вычислений и получает для обработки следующие блоки. Это продолжается, пока задача не будет выполнена.

Все упомянутые операции производятся на очень высокой скорости. Однако, даже самая быстрая оперативная память работает медленнее любого «неторопливого» процессора. Каждое считывание из нее информации и обратная ее запись отнимают много времени. В среднем, скорость работы оперативной памяти в 16 – 17 раз ниже скорости процессора.

Не смотря на такой дисбаланс, процессор не простаивает и не ожидает каждый раз, когда оперативная память «выдает» или «принимает» данные. Он почти всегда работает на максимальной скорости. И все благодаря наличию у него кэш-памяти.

Кэш-память процессора – это небольшая, но очень быстрая память. Она встроена в процессор и является своеобразным буфером, сглаживающим перебои в обмене данными с более медленной оперативной памятью. Кэш-память часто называют сверхоперативной памятью.

Кэш нужен не только для выравнивания дисбаланса скорости. Процессор обрабатывает данные более мелкими порциями, чем те, в которых они хранятся в оперативной памяти. Поэтому кэш-память играет еще и роль своеобразного места для «перепаковки» и временного хранения информации перед ее передачей процессору, а также возвращением результатов обработки в оперативную память.

Видео:Разгон кольцевой шины и кэша L3 процессораСкачать

Устройство кэш-памяти процессора

Система кэш-памяти процессора состоит из двух блоков — контроллера кэш-памяти и собственно самой кэш-памяти.

Контроллер кэш памяти

Контроллер кэш памяти – это устройство, управляющее содержанием кэша, получением необходимой информации из оперативной памяти, передачей ее процессору, а также возвращением в оперативную память результатов вычислений.

Когда ядро процессора обращается к контроллеру за какими-то данными, тот проверяет, есть ли эти данные в кэш-памяти. Если это так, ядру моментально отдается информация из кэша (происходит так называемое кэш-попадание).

В противном случае ядру приходится ожидать поступления данных из медленной оперативной памяти. Ситуация, когда в кэше не оказывается нужных данных, называется кэш-промахом.

Задача контроллера – сделать так, чтобы кэш-промахи происходили как можно реже, а в идеале – чтобы их не было вообще.

Размер кэша процессора по сравнению с размером оперативной памяти несоизмеримо мал. В нем может находиться лишь копия крошечной части данных, хранимых в оперативной памяти. Но, не смотря на это, контроллер допускает кэш-промахи не часто. Эффективность его работы определяется несколькими факторами:

• размером и структурой кэш-памяти (чем больше ресурсов имеет в своем распоряжении контроллер, тем ниже вероятность кэш-промаха);

• эффективностью алгоритмов, по которым контроллер определяет, какая именно информация понадобится процессору в следующий момент времени;

• сложностью и количеством задач, одновременно решаемых процессором. Чем сложнее задачи и чем их больше, тем чаще «ошибается» контроллер.

Кэш-память процессора

Кэш-память процессора изготавливают в виде микросхем статической памяти (англ. Static Random Access Memory, сокращенно — SRAM). По сравнению с другими типами памяти, статическая память обладает очень высокой скоростью работы.

Однако, эта скорость зависит также от объема конкретной микросхемы. Чем значительней объем микросхемы, тем сложнее обеспечить высокую скорость ее работы.

Учитывая указанную особенность, кэш-память процессора изготовляют в виде нескольких небольших блоков, называемых уровнями. В большинстве процессоров используется трехуровневая система кэша:

• Кэш-память первого уровня или L1 (от англ. Level — уровень) – очень маленькая, но самая быстрая и наиболее важная микросхема памяти. Ни в одном процессоре ее объем не превышает нескольких десятков килобайт. Работает она без каких-либо задержек. В ней содержатся данные, которые чаще всего используются процессором.

Количество микросхем памяти L1 в процессоре, как правило, равно количеству его ядер. Каждое ядро имеет доступ только к своей микросхеме L1.

Читайте также: Что будет с шинами если диски кривые

• Кэш-память второго уровня (L2) немного медленнее кэш-памяти L1, но и объем ее более существенный (несколько сотен килобайт). Служит она для временного хранения важной информации, вероятность запроса которой ниже, чем у информации, находящейся в L1.

• Кэш-память третьего уровня (L3) – еще более объемная, но и более медленная схема памяти. Тем не менее, она значительно быстрее оперативной памяти. Ее размер может достигать нескольких десятков мегабайт. В отличие от L1 и L2, она является общей для всех ядер процессора.

Уровень L3 служит для временного хранения важных данных с относительно низкой вероятностью запроса, а также для обеспечения взаимодействия ядер процессора между собой.

Встречаются также процессоры с двухуровневой кэш-памятью. В них L2 совмещает в себе функции L2 и L3.

Видео:03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать

Влияние кэш-памяти процессора на быстродействие компьютера

При выполнении запроса на предоставление данных ядру, контроллер памяти ищет их сначала в кэше первого уровня, затем — в кэше второго и третьего уровней.

По статистике, кэш-память первого уровня любого современного процессора обеспечивает до 90 % кэш-попаданий. Второй и третий уровни — еще 90% от того, что осталось. И только около 1 % всех запросов процессора заканчиваются кэш-промахами.

Указанные показатели касаются простых задач. С повышением нагрузки на процессор число кэш-промахов увеличивается.

Эффективность кэш-памяти процессора сводит к минимуму влияние скорости оперативной памяти на быстродействие компьютера. Например, компьютер одинаково хорошо будет работать с оперативной памятью 1066 МГц и 2400 МГц. При прочих равных условиях разница производительности в большинстве приложений не превысит 5%.

Пытаясь оценить эффективность кэш-памяти, пользователи чаще всего ищут ответы на следующие вопросы:

Какая структура кэш-памяти лучше: двух- или трехуровневая?

Трехуровневая кэш-память более эффективна.

Чтобы определить, как сильно L3 влияет на работу процессора, сайтом Tom’s Hardware был проведен эксперимент. Заключался он в замере производительности процессоров Athlon II X4 и Phenom II X4. Оба процессора оснащены одинаковыми ядрами. Первый отличается от второго лишь отсутствием кэш-памяти L3 и более низкой тактовой частотой.

Приведя частоты обеих процессоров к одинаковому показателю, было установлено, что наличие кэш-памяти L3 повышает производительность процессора Phenom на 5,8 %. Но это средний показатель. В одних приложениях он был почти равен нулю (офисные программы), в других – достигал 8% и даже больше (компьютерные 3D игры, архиваторы и др.).

Как влияет размер кэша на производительность процессора?

Оценивая размер кэш-памяти, нужно учитывать характеристики процессора и круг решаемых им задач.

Кэш-память двуядерного процессора редко превышает 3 MB. Тем более, если его тактовая частота ниже 3 Ггц. Производители прекрасно понимают, что дальнейшее увеличение размера кэша такого процессора не принесет прироста производительности, зато существенно повысит его стоимость.

Другое дело высокочастотные 4-, 6- или даже 8-миядерные процессоры. Некоторые из них (например, Intel Core i7) поддерживают технологию Hyper Threading, обеспечивающую одновременное выполнение каждым ядром двух задач. Естественно, что потенциал таких процессоров не может быть раскрыт с маленьким кэшем. Поэтому его увеличение до 15 или даже 20 MB вполне оправдано.

В процессорах Intel алгоритм наполнения кэш-памяти построен по так называемой инклюзивной схеме, когда содержимое кэшей верхнего уровня (L1, L2) полностью или частично дублируется в кэше нижнего уровня (L3). Это в определенной степени уменьшает полезный объем его пространства. С другой стороны, инклюзивная схема позитивно сказывается на взаимодействии ядер процессора между собой.

В целом же, эксперименты свидетельствуют, что в среднестатистическом «домашнем» процессоре влияние размера кэша на производительность находится в пределах 10 %, и его вполне можно компенсировать, например, высокой частотой.

Эффект от большого кэша наиболее ощутим при использовании архиваторов, в 3D играх, во время кодирования видео. В «не тяжелых» же приложениях разница стремится к нулю (офисные программы, интернет-серфинг, работа с фотографиями, прослушивание музыки и др.).

Многоядерные процессоры с большим кэшем необходимы на компьютерах, предназначенных для выполнения многопоточных приложений, одновременного решения нескольких сложных задач.

Особенно актуально это для серверов с высокой посещаемостью. В некоторых высоконагружаемых серверах и суперкомпьютерах предусмотрена даже установка кэш-памяти четвертого уровня (L4). Изготавливается она в виде отдельных микросхем, подключаемых к материнской плате.

Читайте также: Маде ин шина ком

Как узнать размер кэш-памяти процессора?

Существуют специальные программы, предоставляющие подробную информацию о процессоре компьютера, в том числе и о его кэш-памяти. Одной из них является программа CPU-Z.

Программа не требует установки. После ее запуска нужно перейти на вкладку «Caches» (см. изображение).

На примере видно, что проверяемый процессор оснащен трехуровневой кэш-памятью. Размер кэша L3 у него составляет 3 MB, L2 – 512 KB (256×2), L1 – 128 KB (32×2+32×2).

Можно ли как-то увеличить кэш-память процессора?

Как уже было сказано в одном из предыдущих пунктов, возможность увеличения кэш-памяти процессора предусмотрена в некоторых серверах и суперкомпьютерах, путем ее подключения к материнской плате.

В домашних же или офисных компьютерах такая возможность отсутствует. Кэш-память является внутренней неотъемлемой частью процессора, имеет очень маленькие физические размеры и не подлежит замене. А на обычных материнских платах нет разъемов для подключения дополнительной кэш-памяти.

Видео:Как работает компьютерная память: что такое RAM, ROM, SSD, HDD и в чем разница?Скачать

Что такое топология шины памяти материнской платы и почему это важно при разгоне оперативки

При разгоне памяти имеет значение каждый нюанс, даже тонкости разводки конкретной материнской платы. Что же такое I-топология, T-топология и Daisy Chain? Давайте разберемся, какие бывают, как влияют длина канала и качество согласования волнового сопротивления линии связи. Рассмотрим, какую конфигурацию ОЗУ лучше выбрать в конкретных условиях.

Видео:ДЛЯ ЧЕГО НУЖЕН КЭШ ПРОЦЕССОРАСкачать

Виды топологий материнских плат

Топологией называют схему соединения между собой функциональных узлов с помощью каналов связи. Применительно к компьютерной технике, существуют два вида соединения центрального процессора с оперативной памятью — в виде буквы «T» и Daisy Chain.

T-топология обеспечивает равноценные условия обмена информацией центрального процессора с каждой парой модулей ОЗУ. Поскольку они соединены параллельно, такая схема лучше оптимизирована для работы с четырьмя планками. С двумя модулями оперативки результат разгона будет хуже.

Большинство пользователей использует именно две планки памяти, поэтому схема не получила большого распространения. Она используется в премиальных материнских платах, где важен большой объем ОЗУ — например, ASRock X570 Extreme4.

Daisy Chain (переводится как «цепочка гирлянд») означает последовательное соединение модулей. Схема лучше подходит для двух планок памяти. При этом они обязательно должны быть установлены в «первые» слоты A2 и B2, то есть в ближайшие к процессору каналы связи. Если подключить все четыре модуля, задействовав неприоритетные слоты А1 и В1, частотные показатели ухудшатся. Топология очень популярна и используется в большинстве материнских плат.

Читать пример разгона процессора AMD Ryzen 9 3900X на материнской плате GIGABYTE X570 AORUS PRO с топологией Daisy Chain

Частный случай Daisy Chain, когда отсутствуют два дополнительных слота (не из-за экономии, а для достижения максимальных частот) называется I-топологией.

Эта схема подразумевает максимально возможный разгон оперативной памяти. Из-за отсутствия «хвостов» в виде неприоритетных слотов, обеспечивается наилучшее согласование канала связи процессора с двумя модулями ОЗУ. Пример такой материнской платы — ASUS ROG Strix X570-I Gaming.

Нужно понимать, что в бюджетных платах наличие всего двух слотов обусловлено экономией при производстве. Эта двухслотовость не имеет ничего общего с геймерскими решениями, предназначенными для экстремального разгона.

Видео:Влияние кэш памяти процессора на быстродействие компьютераСкачать

Как влияет длина канала связи

Как известно, скорость распространения электрического сигнала в проводнике равна скорости света. Давайте условно примем длину дорожки печатной платы, которая идет от процессора до оперативной памяти и обратно, равной 10 сантиметрам. Таким образом, время преодоления этого участка сигналом составляет 0,33 наносекунды. Это время затрачивается лишь на преодоление длины проводника, без учета времени на внутренние процессы. То есть, оперативная память минимум через 0,16 наносекунд получит сигнал, переданный процессором. И еще через 0,16 наносекунд ЦП получит ответ от ОЗУ.

Задержка накладывает ограничение на максимальное количество тактов в единицу времени при работе связки оперативная память — процессор. Нетрудно пересчитать ее в частоту, которая в данном случае составит 3 ГГц (а эффективная частота памяти, то есть, с удвоенным количеством передаваемых данных за такт — 6 ГГц).

Таким образом, чем длиннее канал связи, тем меньше максимальная частота ОЗУ. При T-топологии расстояние дорожек от ЦП до памяти одинаковое, но общая длина каналов больше, чем у Daisy Chain.

Читайте также: Какие шины быстрее изнашиваются передние или задние

Видео:КАК РАБОТАЕТ КЭШ ПРОЦЕССОРА | ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯСкачать

Как влияет согласование канала связи

Частота работы оперативной памяти соответствует радиочастотному диапазону: сигнал обмена процессора и ОЗУ, по сути, является радиосигналом. Поэтому условия переноса этого сигнала в проводнике полностью подчиняются законам распространения радиоволн.

Для надежной передачи радиосигнала, без потерь и переотражений от неоднородностей тракта передачи данных, необходимо, чтобы волновое сопротивление источника сигнала (процессора) и канала связи и нагрузки (оперативной памяти) были равны. В случае несоответствия волновых сопротивлений на каком-либо участке, возникает неоднородность. Радиосигнал частично проходит дальше к потребителю и частично отражается обратно — в сторону источника. Происходит наложение на последующий сигнал, что приводит к искажениям и возникновению ошибок при обработке оперативной памятью.

Очевидно, что при неискаженном сигнале разогнанная оперативная память работает на своих максимальных устойчивых значениях частот. При появлении искажений из-за несогласования волновых сопротивлений, происходит снижение стабильной рабочей частоты. Это случается, если не соблюдать рекомендации производителя — например, использовать только два модуля ОЗУ в материнской плате с Т-топологией.

Видео:Кэш-памятьСкачать

Что такое ранг оперативной памяти и почему он важен

Рангом называется блок данных, состоящий из микросхем памяти, расположенных на модуле. Ранг не имеет ничего общего с физическим расположением микросхем на одной или обеих сторонах модуля.

Например, один ранг памяти можно набрать восемью микросхемами, имеющими ширину шины 8 бит, или шестнадцатью микросхемами, имеющими ширину 4 бита (см. рисунок). Общий объем памяти одного ранга равен сумме объемов памяти каждой микросхемы, входящей в этот ранг.

Двухранговая память состоит из двух одноранговых комплектов микросхем. На одном физическом модуле размещаются два полноценных логических узла, которые используют один канал связи на двоих. При работе они поочередно подключаются к этому каналу, что накладывает ограничение на разгон — контроллеру памяти труднее работать с двумя модулями, чем с одним.

Читать сравнение сравнение однорангового и двухрангового модулей ОЗУ

Видео:Шина компьютера, оперативная память, процессор и мостыСкачать

Как определить топологию

Большинство производителей предпочитают не указывать, какая топология шины памяти применяется в их материнских платах. Как же узнать схему соединения для конкретной модели? Самый простой вариант — отыскать в руководстве по эксплуатации информацию о том, с каким количеством модулей ОЗУ обеспечивается максимальная частота. Если с четырьмя, то применяется T-топология, а если с двумя — однозначно Daisy Chain. Когда производитель рекомендует устанавливать пару модулей в приоритетные слоты, то это тоже означает, что применена «гирлянда», или последовательное соединение модулей.

Для AMD энтузиасты создали специальную таблицу. Достаточно забить в поиске название материнской платы и посмотреть столбец «Memory Topology».

Видео:Кэшированная память Windows 10 что это и как очиститьСкачать

Рекомендации по конфигурациям ОЗУ

Материнские платы с T-топологией шины памяти оптимизированы для четырех одноранговых модулей памяти и обеспечивают с ними наилучший разгон. Несколько хуже будет с двумя одноранговыми модулями. Еще хуже — при наличии двух двухранговых плашек. И совсем плохой результат достигается с четырьмя двухранговыми модулями.

Топология Daisy Chain лучше всего подходит для двух одноранговых модулей памяти — это самый распространенный вариант при сборке ПК. Чуть хуже будет с двумя двухранговыми модулями. Еще хуже— с четырьмя одноранговыми плашками. И совсем плохая ситуация в случае с четырьмя двухранговыми модулями.

Если говорить о цифрах, то память на Daisy Chain топологии гонится лучше, чем на Т-топологии. Так, инженер компании MSI в лекции «В чем ключ к разгону памяти?» приводит конкретные примеры для контроллера IMC процессоров Intel 9-го поколения. При T-топологии компании удалось добиться максимальной частоты 4400 МГц при работе с четырьмя и 4133 МГц — с двумя модулями. Для Daisy Chain предел достигнут при 4600 МГЦ у двух планок, но за это пришлось заплатить нестабильной работой четырех — всего 4000 МГц.

Современные платы для энтузиастов поддерживают память частотой вплоть до 5400–5600 МГц.

На практике, топология платы имеет значение лишь когда мы говорим о работе памяти на частотах свыше 3600–3800 МГц. При меньших значениях ее влияние ничтожно и обращать на это внимание не стоит.

• Свежие записи
  • Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
  • Скрипят амортизаторы на машине что делать
  • Из чего состоит стойка амортизатора передняя
  • Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
  • Для чего нужны амортизаторы в автомобиле

  
  

  источники:

  https://fasad-adelante.ru/chto-takoe-shina-kesh-pamyati

  🎬 Видео

  В чём отличие кэша в процессорах и как он работает? Какой лучше, быстрее и объемней? L1, L2, L3Скачать

  

  Виды видеопамяти и сколько её нужно? Какая нужна шина?Скачать

  

  Влияние шин PCI-e и внутренней шины видеокарты на производительностьСкачать

  

  АПС Л14. ШиныСкачать

  

  Частота процессора, множитель и системная шинаСкачать

  

  Видеоматериал к практической работе: Принципы работы кэш-памятиСкачать

  

  Кэш-памятьСкачать

  

  Значение слова кэш. Что такое кэш.Скачать

  

  КАК РАБОТАЕТ ПАМЯТЬ КОМПЬЮТЕРА | ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯСкачать

  

  Системная шина персонального компьютера ISAСкачать