Was ist der l1-, l2- und l3-Cache und wie funktioniert er?

Haben Sie jemals von Cache L1, L2 und L3 gehört ? Sicherlich ja, aber wenn Sie nicht sicher sind, was diese Cache-Ebenen wirklich bedeuten, werden wir in diesem Artikel versuchen, alles nach besten Kräften zu erklären. Von nun an werden Sie die Speichereigenschaften eines Prozessors besser verstehen.

Sie werden bereits wissen, dass eine der wichtigsten Komponenten eines Computers sein Speicher ist. Wir sprechen natürlich vom RAM-Speicher, in den alle Programme und das Betriebssystem geladen sind, damit sie vom Prozessor verwendet werden oder auf die Festplatte zugreifen müssen schwer.

RAM ist viel schneller als eine Festplatte, insbesondere als mechanische Laufwerke. Es gibt jedoch immer noch einen schnelleren Speicher in unserem Computer, insbesondere in unserem Prozessor, und dies ist der Cache-Speicher, den wir heute sehen werden.

Inhaltsverzeichnis

Was ist der Cache-Speicher einer CPU

Das erste, was wir wissen müssen, ist, was der Cache im Allgemeinen ist. Wie bereits erwähnt, gibt es in einem PC verschiedene Arten von Speicher, und genau der Cache-Speicher ist der schnellste von allen.

Speicherebenen

Zu Beginn haben wir im ersten Schritt den Primärspeicher, bei dem es sich zweifellos um Festplatten handelt. In ihnen werden alle Informationen dauerhaft gespeichert, daraus macht das Betriebssystem einen funktionierenden PC. Es ist der langsamste Speicher, der von etwa 150 MB / s auf einer Festplatte (mechanische Festplatte) bis zu beeindruckenden 3.500 MB / s der schnellsten SSDs auf dem Markt reicht.

Zweitens haben wir Direktzugriffsspeicher oder RAM. Es handelt sich um einen kleineren Solid-State-Speicher, der keine Daten dauerhaft speichern kann und als Gateway zwischen Festplatte und Prozessor fungiert. Es bietet eine Geschwindigkeit von mehr als 30.000 MB / s in DDR4. Der Speicher wird auch als DRAM (Dynamic RAM) bezeichnet, da er ständig aktualisiert werden muss, um Informationsverlust zu vermeiden.

Die dritte Stufe, die schnellste

Und schließlich kommen wir zu dem oben, dem Cache. Es ist ein sehr kleiner Speicher, der in einem eigenen Mikroprozessor vom Typ SRAM (Static RAM) installiert ist. Die Herstellung ist viel teurer als normales RAM und kann Daten speichern, ohne ständig aktualisiert zu werden.

Die Tatsache, dass es in der CPU installiert ist, macht es den Prozessorkernen am nächsten, und deshalb muss es verdammt schnell sein. Tatsächlich erreicht es Geschwindigkeiten von über 200 GB / s und Latenzen von etwa 10 oder 11 ns (Nanosekunden). Der Cache-Speicher ist dafür verantwortlich, die Anweisungen zu speichern, die unmittelbar von der CPU verarbeitet werden, damit er so schnell wie möglich darauf zugreifen kann.

Der Cache-Speicher ist wiederum in mehrere Ebenen unterteilt, von denen jede schneller, kleiner und näher am Prozessor liegt. Prozessoren verfügen derzeit über insgesamt drei Ebenen des Cache-Speichers. Bevor wir darauf eingehen, werfen wir einen kurzen Blick auf die Funktionsweise eines Caches.

Wie das Caching funktioniert

Sie wissen es vielleicht nicht, aber praktisch alle Peripheriegeräte und Elemente eines Computers verfügen über einen eigenen Cache-Speicher, z. B. die Festplatten selbst, den Drucker und natürlich die GPUs der Grafikkarten. Und die Funktion aller von ihnen, einschließlich der einer CPU, wird dieselbe sein.

Wie wir wissen, ist ein Computer dank des Betriebssystems und seiner Programme "intelligent". Jedes dieser Programme wird aus einer Programmiersprache erstellt, die wiederum eine Reihe von Anweisungen sind, die in der CPU ordnungsgemäß ausgeführt werden müssen. Wir sagen in geordneter Weise, weil es an diesem Punkt sinnvoll ist, unterschiedliche Speicherebenen einzurichten.

Die Daten werden fest auf den Festplatten gespeichert, aber da sie so langsam und "so weit" von der CPU entfernt sind, werden sie zuvor in den RAM-Speicher geladen, ein viel schnellerer Speicher, und nur für die Programme verwendet, die es sind in Betrieb.

Der Speichercontroller kommt ins Spiel

Es reicht jedoch immer noch nicht aus, da die heutigen CPUs so schnell sind und Millionen von Operationen pro Sekunde auf jedem Kern ausführen können, dass der Cache eingeht. In der CPU befindet sich ein Speichercontroller, der früher als North Bridge oder North Bridge bezeichnet wurde und auf dem Motherboard installiert war. Nun, dieser Speichercontroller befindet sich jetzt in der CPU und ist dafür verantwortlich, die Anweisungen, die ausgeführt werden sollen, aus dem RAM-Speicher zu übernehmen und auch die Ergebnisse des Verarbeitungszyklus zurückzugeben.

Es gibt aber auch zwei Arten von Bussen , die für die Kommunikation der CPU mit dem RAM-Speicher zuständig sind. Sie werden als Datenbus und Adressbus bezeichnet:

• Datenbus: Dies sind im Grunde die Spuren, auf denen die Daten und Anweisungen zirkulieren. Es wird einen Datenbus geben, der RAM, Cache und Kerne miteinander kommuniziert. Adressbus: Dies ist ein unabhängiger Kanal, auf dem die CPU die Speicheradresse anfordert, auf der sich die Daten befinden. Die Anweisungen werden in Speicherzellen gespeichert, die eine Adresse haben, und sowohl der RAM, der Cache als auch die CPU müssen diese kennen, um die fraglichen Daten zu lokalisieren.

Cache L1, L2 und L3

Inzwischen verstehen wir bereits ziemlich genau, wie Speicher auf einem PC funktioniert und wie Caching funktioniert. Aber wir müssen wissen, dass sich in der CPU ein Cache L1, L2 und L3 befindet. Es scheint unglaublich, dass etwas so Kleines so gut passt, oder? Für diese drei Ebenen des Cache-Speichers gilt eine Hierarchie der Geschwindigkeit und natürlich der Kapazität.

L1-Cache-Speicher

Der L1-Cache ist die schnellste Konfiguration, die den Kernen am nächsten liegt. Hier werden die Daten gespeichert, die sofort von der CPU verwendet werden. Aus diesem Grund liegen die Geschwindigkeiten bei etwa 1150 GB / s und die Latenz beträgt nur 0, 9 ns.

Die Größe dieses Cache-Speichers beträgt insgesamt etwa 256 KB, obwohl er je nach CPU-Leistung (und Kosten) kleiner oder größer sein wird. Workstation-Prozessoren wie der Intel Core i9-7980 XE verfügen tatsächlich über einige Insgesamt 1152 KB.

Dieser L1-Cache ist in zwei Typen unterteilt, den L1-Datencache und den L1-Befehls-Cache. Der erste ist für das Speichern der zu verarbeitenden Daten verantwortlich und der zweite speichert die Informationen über die auszuführende Operation (Addition, Subtraktion, Multiplikation, etc).

Darüber hinaus hat jeder Kern seine eigenen L1-Caches. Wenn wir also einen 6-Kern-Prozessor haben, haben wir 6 L1-Caches, die in L1 D und L1 I unterteilt sind. In Intel-Prozessoren beträgt jeder 32 KB und in AMD-Prozessoren sind auch 32 KB oder 64 KB auf L1 I. Natürlich variieren sie wie immer je nach Qualität und Leistung.

L2-Cache-Speicher

Der nächste, den wir finden, ist der L2- oder Level 2-Cache. Dies hat mehr Speicherkapazität, obwohl es etwas langsamer sein wird, etwa 470 GB / s und 2, 8 ns Latenz. Die Speichergröße variiert normalerweise zwischen 256 KB und 18 MB. Wir sehen bereits, dass sie beträchtliche Kapazitäten für die Geschwindigkeiten haben, mit denen wir umgehen.

Anweisungen und Daten werden darin gespeichert und werden bald von der CPU verwendet. In diesem Fall werden sie nicht in Anweisungen und Daten unterteilt. Wir haben jedoch einen L2-Cache für jeden Kern, zumindest ist dies bei den relevantesten Prozessoren der Fall. Für jeden Kern gibt es normalerweise 256, 512 oder bis zu 1024 KB.

L3-Cache-Speicher

Schließlich finden wir den L3-Cache, für den auf dem Prozessorchip ein dedizierter Speicherplatz vorhanden ist. Es wird das größte und auch das langsamste sein, wir sprechen von mehr als 200 GB / s und 11 ns Latenz.

Derzeit verfügt ein würdiger Prozessor über mindestens 4 MB L3-Cache, und es sind Laufwerke mit bis zu 64 MB zu sehen. Der L3 ist normalerweise auf ungefähr 2 MB pro Kern verteilt, aber sagen wir einfach, dass er sich nicht in jedem Kern befindet, sodass ein Datenbus für die Kommunikation mit ihnen vorhanden ist. Die Zahlungsfähigkeit und Geschwindigkeit einer CPU hängen weitgehend von diesem Bus und dem RAM-Speicher selbst ab. Hier bezieht Intel seine Leistung von AMD.

Wie man den Cache L1, L2 und L3 meines Prozessors kennt

Eine der schnellsten Möglichkeiten, diese Informationen zu erhalten, ist das Herunterladen des CPU-Z-Tools, das völlig kostenlos ist und Ihnen sehr vollständige Informationen über Ihre CPU liefert. Sogar die drei Ebenen und die Speichermenge für jede. Sie können es von der offiziellen Website herunterladen.

Sie können auch Marke und Modell in den Browser einfügen und zur Herstellerseite gehen, obwohl diese normalerweise nur Informationen zum L3-Cache enthalten. Natürlich geben wir bei all unseren Überprüfungen von Prozessoren vollständige Informationen über den Cache jeder CPU und messen deren Leistung.

Latenz, Busbreite und fehlender Cache

Wir haben verstanden, dass Daten über alle Speicherebenen von der Festplatte zum Verarbeitungskern fließen. Wenn der Prozessor zuerst nach dem nächsten zu verarbeitenden Befehl im Cache-Speicher sucht, sollte ein Qualitätssystem wissen, wie die Daten basierend auf ihrer Wichtigkeit korrekt lokalisiert werden, um die Zugriffszeiten auf sie zu minimieren, was als Latenz bezeichnet wird.

Die Latenz ist dann die Zeit, die benötigt wird, um auf Daten aus dem Speicher zuzugreifen. Je weiter und langsamer, je höher die Latenz und je länger die CPU auf ihren nächsten Befehl warten muss. Wenn sich ein Befehl nicht im Cache-Speicher befindet, muss der Prozessor ihn direkt im RAM-Speicher suchen. Dies wird als fehlender Cache oder fehlender Cache bezeichnet. Dies ist der Fall, wenn ein langsamerer PC auftritt.

Die Busbreite ist auch für die Geschwindigkeit von großer Bedeutung, da sie die Fähigkeit kennzeichnet, größere Datenblöcke vom Speicher zur CPU zu übertragen. Sowohl die CPU als auch der RAM sind 64 Bit, aber die Zweikanalfunktion kann diese Kapazität auf 128 Bit verdoppeln, so dass die Übertragung zwischen diesen Elementen eine größere Kapazität aufweist.

Schlussfolgerung zum Cache-Speicher von L1, L2 und L3

Wir schauen uns immer die Anzahl der Kerne und die Geschwindigkeit eines Prozessors genau an. Es ist klar, dass dies weitgehend die Gesamtgeschwindigkeit des Prozessors bestimmt. Ein Element, das manchmal nicht berücksichtigt wird, ist der Cache-Speicher, und es ist wichtig, wenn es um einen leistungsstarken Prozessor geht.

Eine 6-Kern-CPU mit beispielsweise 4 oder 16 MB L3-Cache ist für die Messung der Leistung von großer Bedeutung, insbesondere wenn mehrere offene Programme vorhanden sind. Schauen Sie sich also von nun an diesen Abschnitt genau an, wenn Sie sich für den Kauf eines Prozessors entscheiden, da nicht alles von der Frequenz abhängt.

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Wir hoffen, dass all diese Informationen für Sie hilfreich waren, um mehr über die Prozessoren und den Cache-Speicher zu erfahren. Wenn Sie Fragen haben, können Sie uns im Kommentarfeld fragen. Wir sehen uns im nächsten Tutorial!