حافظه کش پردازنده چیست و چه کاربردی دارد؟

توسط مقالات تکنولوژیدر 20 اردیبهشت 1400

حافظه کش پردازنده یا حافظه نهان CPU یک بخش بسیار مهم از انواع پردازشگر کامپیوتر و لپ تاپ به شمار می رود که برای کاهش زمان دسترسی به داده های ذخیره شده در حافظه اصلی مورد استفاده قرار می گیرد. این بخش بسیار مهم که دارای چهار نوع کلی است، نقش بسزایی در افزایش سرعت کار پردازنده ایفا می کند و ظرفیت آن نیز بر اساس مدل و قدرت CPU متغیر است. در این مقاله جامع با حافظه کش پردازنده آشنا شده و از این طریق می توانید پردازنده ای قوی تر را برای کامپیوتر شخصی خود انتخاب کنید.

 

حافظه کش پردازنده چیست و چه کاربردی دارد؟

چند نوع حافظه کش پردازنده وجود دارد؟

همانطور که در ابتدا اشاره کردیم، در حال حاضر چهار نوع حافظه نهان وجود دارد که در مدل های متداول موجود در بازار، فقط سه نوع از آنها در دسترس کاربران قرار دارند و مدل های بسیار معدودی دارای حافظه نهان سطح چهارم هستند. برای درک بهتر این موضوع، به تشریح مشخصات حافظه نهان پردازنده اینتل مدل Core i9-10900 می پردازیم که یک محصول دارای 10 هسته و 20 رشته پردازشی است. پردازنده 450 دلاری اینتل که بر پایه معماری Comet Lake تولید می شود، به سه سطح حافظه نهان شامل L1/L2/L3 مجهز شده که هر کدام از آنها ظرفیت متفاوتی دارند. به طور کلی حافظه نهان سطح اول (L1 Cache) دارای حجم حافظه کمتر، اما سرعت بسیار بیشتر بوده و در نوع حافظه نهان سطح دوم (L2 Cache) حجم حافظه بیشتر شده و به همان نسبت نیز سرعت آن کاهش یافته است.

در حافظه نهان سطح سوم نیز شاهد حجم حافظه بسیار بالاتر و سرعت به مراتب کمتر هستیم، اما شرکت های تولید کننده پردازنده روی حافظه L3 Cache به عنوان یک تاکتیک بازاریابی مانور می دهند. در پردازنده Core i9-10900 شاهد به کارگیری 64 کیلوبایت L1 Cache و 256 کیلوبایت L2 Cache هستیم و حافظه نهان سوم (L3 Cache) نیز در این مدل رقم شگفت انگیز 20 مگابایت را نمایش می دهد که به هیچ وجه قابل مقایسه با سطوح اول و دوم نیستند.

 

حافظه کش پردازنده چیست و چه کاربردی دارد؟

حافظه کش چگونه کار می کند؟

زمانی که قصد خواندن و نوشتن در حافظه اصلی (RAM) دارید، به دلیل عدم تطابق سرعت حافظه رم و فرکانس کاری پردازنده، حافظه نهان وارد عمل شده و سرعت تبادل داده را افزایش می دهد. به این ترتیب پردازنده و حافظه رم می توانند در بالاترین سرعت ممکن به فعالیت بپردازند و مشکلی از نظر تاخیر در دستیابی به داده ها رخ نمی دهد. هر کدام از سطوح کش نیز بر اساس حجم فایل مورد نظر برای خواندن و نوشتن وارد عمل می شوند و به عنوان مثال در صورتی که حجم فایل شما کمتر از 64 کیلوبایت در شرایط بهره گیری از پردازنده Core i9-10900 اینتل است، حافظه نهان سطح اول وارد عمل شده و در سریع ترین زمان ممکن عملیات تبادل انجام می شود.

در صورتی که داده مورد نظر شما دارای حجم بیشتر از 64 کیلوبایت و کمتر از 256 کیلوبایت است، اکنون حافظه کش سطح دوم فعالیت خود را آغاز می کند. همان طور که انتظار می رود، در صورتی که داده موجود روی حافظه رم بیشتر از 256 کیلوبایت و کمتر از 20 مگابایت است، حافظه سطح سوم وارد عمل می شود. در شرایطی که داده موجود روی حافظه اصلی بسیار بزرگتر از 20 مگابایت است، داده ها به چندین بخش 20 مگابایتی تقسیم شده و هر کدام از آنها به ترتیب وارد چرخه تبادل می شود.

به دلیل سرعت بسیار بالای حافظه کش پردازنده، عملیات انتقال داده ها در مدت زمان بسیار کوتاهی صورت می پذیرد و از این رو دستورات شما بدون درنگ پردازش می شود. حافظه نهان زمانی وارد عمل می شود که شما در حال بازخوانی دستورات پیشین بوده و داده های مربوط به آن در این حافظه وجود دارد. از این رو دیگر نیازی به صرف زمان برای دستیابی به داده های مورد نظر و طی کردن مسیر پردازنده به حافظه اصلی و بالعکس وجود ندارد. حافظه نهان پس از هر بار راه اندازی مجدد (Restart) یا خاموش کردن کامپیوتر شخصی حذف و پس از روشن شدن آن شروع به ذخیره کرده داده های موقت می کند.

هر کدام از سطوح حافظه نهان دارای چند بلوک با حجم تقسیم شده است. به این ترتیب زمانی که اعلام می شود یک CPU دارای حافظه نهان سطح اول با حجم 64 کیلوبایت است، به عنوان مثال این میزان در چهار بلوک 16 کیلوبایتی تقسیم شده و این رویه برای سطوح بالاتر نیز وجود دارد. به این ترتیب امکان دسترسی همزمان به چند یا چندین داده به دلیل قرار گیری آنها در بلوک های متفاوت وجود دارد.

 

حافظه کش پردازنده چیست و چه کاربردی دارد؟

معرفی اولین پردازنده مجهز به حافظه کش

اولین پردازنده های تولید شده به صورت انبوه دارای یک سطح از حافظه نهان (L1 Cache) بودند و دلیل این امر نیز سرعت بسیار پایین CPU و همچنین دستورات بسیار ساده و ابتدایی برای کار با سیستم عامل بود. اولین بار کمپانی آمریکایی در پردازنده IBM 801 اقدام به استفاده از L1 Cache برای بهبود سرعت فراخوانی دستورات کرد. کمپانی اینتل نیز در سال 1993 با تولید اولین نسل از پردازنده های سری Pentium از حافظه نهان سطح اول بهره برد و در سال 1997 نیز پردازنده مجتمع ARMv5TE از این فناوری بهره برد.

در سال 2015 نیز اولین سیستم روی یک چیپ مجهز به حافظه نهان سطح اول و حافظه نهان سطح دوم به صورت همزمان شدند و در نسخه های بعدی نیز حافظه نهان سطح سوم به این مجموعه اضافه گردید. حافظه نهان سطح دوم به طور معمول به صورت مجزا عمل نمی کند و L1 Cache باید در این زنجیره وارد عمل شود. از سوی دیگر L1 Cache امکان اشتراک گذاری میان هسته های پردازنده را ندارد و بر خلاف آن می توان از L2 Cache به صورت مشترک بین هسته های پردازنده استفاده کرد.

دلیل عدم اشتراک گذاری L1 Cache این است که هر کدام از هسته های پردازنده دارای یک حافظه نهان سطح اول به صورت مجزا هستند و در حقیقت نیازی به استفاده مشترک از حجم بسیار پایین این حافظه وجود ندارد. این در حالیست که حافظه های سطح دوم و سوم به دلیل برخورداری از حجم بیشتر قابلیت اشتراک گذاری بین هسته های پردازشی را دارند. دلیل دیگر این موضوع نیز سرعت بسیار بالاتر کش سطح اول در مقایسه با سطوح دوم و سوم است که نقشی بسیار اساسی در عملکرد پردازنده ایفا می کنند و به اشتراک گذاری آن می تواند عملکرد کلی پردازنده را با اختلال مواجه کند.

 

حافظه کش پردازنده چیست و چه کاربردی دارد؟

حافظه نهان در پردازنده های مدرن و جدید

پردازنده های جدید در بخش حافظه نهان فاصله فراوانی با اولین نسل از پردازنده های تولید شده در جهان دارند و به طور کلی نمی توان عملکرد آنها را چه از لحاظ شرایط کارکرد و چه از لحاظ سرعت مقایسه کرد. حافظه نهان سطح اول در پردازنده های مدرن دارای تعداد بلوک های کوچکتر، انداز بلوک کوچکتر، تعداد بلوک های کمتر هستند، اما با این حال سرعت دسترسی به داده ها در L1 Cache بسیار بالاست. حافظه های سطح بالاتر از جمله L2 Cache و L3 Cache دارای تعداد بلوک بیشتر، اندازه بلوک بزرگتر، بلوک های بیشتر در یک مجموعه و همچنین زمان دسترسی به نسبت طولانی تر در مقایسه با حافظه سطح اول هستند.

در پردازنده های جدید می توانید بلوک بندی های متعددی را برای سطوح مختلف حافظه کش پردازنده مشاهده کنید که داده ها را به صورت تفکیک شده درون بلوک های مختلف ذخیره می کنند تا در صورت نیاز اقدام به فراخوانی چند داده به صورت همزمان و در سریع ترین زمان ممکن کنند. شرایط استفاده و جایگزینی داده های ذخیره شده در سطوح مختلف حافظه نهان به الگوریتم آن CPU بستگی دارد و از این رو نمی توان همه پردازنده ها را مشابه با یکدیگر بر شمرد.


خرید محصولات سازمانی و جانبی یونیوو

برای کسب اطلاعات بیشتر درباره‌ی  محصولات سازمانی بهین تکنولوژی ، خرید مینی کامپیوتر ، خرید آل این وان ،خرید مانیتور و یا محصولات جانبی از صفحات مربوطه بازدید کنید. برای مشاوره و اطلاع از قیمت انواع کامپیوتر یکپارچه یونیوو با شماره 88177895 و 88500045 تماس حاصل فرمایید. صفحه رسمی اینستاگرام بهین تکنولوژی را دنبال کنید.

دیدگاه خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

    سبد خرید