L1, l2 và l3 cache là gì và nó hoạt động như thế nào?

Bạn đã bao giờ nghe nói về bộ đệm L1, L2 và L3 chưa? Chắc chắn là có, nhưng nếu bạn không chắc những mức bộ nhớ cache này thực sự có ý nghĩa gì, trong bài viết này, chúng tôi sẽ cố gắng giải thích mọi thứ với khả năng tốt nhất của chúng tôi. Từ giờ bạn sẽ hiểu rõ hơn về các đặc tính bộ nhớ của bộ xử lý.

Bạn sẽ biết rằng một trong những thành phần quan trọng nhất của máy tính là bộ nhớ của nó, tất nhiên chúng ta nói đến bộ nhớ RAM, một trong đó tất cả các chương trình và hệ điều hành được tải để chúng được bộ xử lý sử dụng hoặc cần phải truy cập vào đĩa khó

RAM nhanh hơn nhiều so với ổ cứng, đặc biệt là ổ đĩa cơ. Nhưng vẫn còn một bộ nhớ nhanh hơn trong máy tính của chúng tôi, cụ thể là trong bộ xử lý của chúng tôi và đây là bộ nhớ cache, đó là những gì chúng ta sẽ thấy ngày hôm nay.

Chỉ số nội dung

Bộ nhớ cache của CPU là gì

Điều đầu tiên chúng ta sẽ phải biết là bộ đệm nói chung là gì. Như chúng ta đã nói, trong PC có một số loại bộ nhớ và chính xác bộ nhớ cache sẽ là bộ nhớ nhanh nhất.

Mức lưu trữ

Để bắt đầu, trong bước đầu tiên, chúng ta sẽ có bộ lưu trữ chính, chắc chắn là ổ cứng. Trong đó tất cả các thông tin được lưu trữ vĩnh viễn, từ đó hệ điều hành tạo ra một PC chức năng. Đây là bộ nhớ chậm nhất, từ khoảng 150 MB / giây trên ổ cứng (ổ cứng cơ học) đến 3.500 MB / giây của ổ SSD nhanh nhất trên thị trường.

Thứ hai, chúng ta sẽ có bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên hoặc RAM. Nó là bộ nhớ trạng thái rắn nhỏ hơn, không có khả năng lưu trữ dữ liệu vĩnh viễn và hoạt động như một cổng giữa đĩa cứng và bộ xử lý. Nó cung cấp tốc độ lớn hơn 30.000 MB / s trong DDR4. Bộ nhớ còn được gọi là DRAM (RAM động) vì nó cần được cập nhật liên tục để tránh mất thông tin.

Cấp thứ ba, nhanh nhất

Và cuối cùng chúng ta đến cái ở trên cùng, bộ đệm. Đó là một bộ nhớ rất nhỏ được cài đặt bên trong bộ vi xử lý của riêng nó và thuộc loại SRAM (RAM tĩnh). Nó đắt hơn nhiều khi sản xuất so với RAM thông thường và có thể chứa dữ liệu mà không cần cập nhật liên tục.

Thực tế là được cài đặt bên trong CPU làm cho nó gần với lõi xử lý nhất và đó là lý do tại sao nó phải nhanh chết tiệt. Trên thực tế, nó đạt tốc độ hơn 200 GB / giây và độ trễ khoảng 10 hoặc 11 ns (nano giây). Bộ nhớ đệm có nhiệm vụ lưu trữ các hướng dẫn sắp được CPU xử lý, để nó có thể truy cập chúng nhanh nhất có thể.

Đổi lại, bộ nhớ cache được chia thành nhiều cấp độ, mỗi cấp độ nhanh hơn, nhỏ hơn và gần hơn với bộ xử lý. Bộ xử lý hiện có tổng cộng ba cấp bộ nhớ cache bên trong. Trước khi chúng ta bắt đầu, hãy xem nhanh cách thức hoạt động của bộ đệm.

Bộ nhớ đệm hoạt động như thế nào

Có thể bạn không biết, nhưng thực tế tất cả các thiết bị ngoại vi và các thành phần của máy tính đều có bộ nhớ đệm riêng, ví dụ, bản thân ổ cứng, máy in và tất nhiên là GPU của card đồ họa. Và chức năng của tất cả chúng, bao gồm cả CPU sẽ giống nhau.

Như chúng ta đã biết, một chiếc máy tính "thông minh" nhờ hệ điều hành và các chương trình của nó. Mỗi chương trình này được tạo từ một ngôn ngữ lập trình, lần lượt là một tập hợp các lệnh phải được thực hiện theo cách có trật tự trong CPU. Chúng tôi nói một cách có trật tự bởi vì tại thời điểm này, việc thiết lập các mức lưu trữ khác nhau có ý nghĩa.

Dữ liệu được lưu trữ theo cách cố định trong các ổ đĩa cứng, nhưng vì chúng rất chậm và "cách xa" CPU, nên chúng được tải trước trong bộ nhớ RAM, lưu trữ nhanh hơn nhiều và chỉ được sử dụng cho các chương trình trong hoạt động.

Bộ điều khiển bộ nhớ hoạt động

Nhưng điều đó vẫn chưa đủ, bởi vì các CPU ngày nay rất nhanh và có khả năng thực hiện hàng triệu hoạt động mỗi giây trên mỗi lõi, bộ đệm sẽ vào. Bên trong CPU có một bộ điều khiển bộ nhớ, về cơ bản là cái trước đây được gọi là cầu bắc hoặc cầu bắc và là một con chip được cài đặt trên bo mạch chủ. Chà, bộ điều khiển bộ nhớ này hiện đang ở trong CPU và chịu trách nhiệm thực hiện các hướng dẫn sẽ được thực hiện từ bộ nhớ RAM và cũng trả về kết quả của chu trình xử lý.

Nhưng cũng có hai loại bus chịu trách nhiệm giao tiếp CPU với bộ nhớ RAM, chúng được gọi là bus dữ liệu và bus địa chỉ:

• Bus dữ liệu: về cơ bản chúng là các rãnh mà dữ liệu và hướng dẫn lưu hành. Sẽ có một bus dữ liệu giao tiếp RAM, bộ nhớ cache và lõi với nhau. Bus địa chỉ: nó là một kênh độc lập nơi CPU yêu cầu địa chỉ bộ nhớ nơi chứa dữ liệu. Các hướng dẫn được lưu trữ trong các ô nhớ, có địa chỉ và cả RAM, bộ đệm và CPU phải biết để xác định vị trí dữ liệu được đề cập.

Bộ đệm L1, L2 và L3

Đến bây giờ, chúng ta đã hiểu khá rõ về cách thức hoạt động của bộ lưu trữ trên PC và cách bộ nhớ đệm hoạt động. Nhưng chúng ta phải biết rằng có một bộ đệm L1, L2 và L3 bên trong CPU, có vẻ như không thể tin được rằng một cái gì đó quá nhỏ lại phù hợp đến vậy phải không? Đối với ba cấp độ bộ nhớ cache này phục vụ cho một hệ thống phân cấp tốc độ và tất nhiên, về dung lượng.

Bộ nhớ cache L1

Bộ đệm L1 là cấu hình nhanh nhất, gần nhất với lõi. Điều này lưu trữ dữ liệu sẽ được CPU sử dụng ngay lập tức và đó là lý do tại sao tốc độ khoảng 1150 GB / giây và độ trễ chỉ là 0, 9 ns.

Kích thước của bộ nhớ đệm này là khoảng 256 KB, mặc dù tùy thuộc vào sức mạnh CPU (và chi phí), nó sẽ ít hơn hoặc nhiều hơn, trên thực tế, các bộ xử lý Workstation như Intel Core i9-7980 XE có một số Tổng cộng 1152 KB.

Bộ đệm L1 này được chia thành hai loại, bộ đệm dữ liệu L1 và bộ đệm hướng dẫn L1, loại đầu tiên phụ trách lưu trữ dữ liệu cần xử lý và loại thứ hai lưu trữ thông tin về thao tác sẽ được thực hiện (cộng, trừ, nhân, v.v.)

Ngoài ra, mỗi lõi có bộ đệm L1 riêng, vì vậy nếu chúng tôi có bộ xử lý 6 lõi, chúng tôi sẽ có 6 bộ đệm L1 được chia thành L1 D và L1 I. Trong bộ xử lý Intel, mỗi bộ xử lý là 32 KB và trong Bộ xử lý AMD cũng là 32 KB hoặc 64 KB trên L1 I. Tất nhiên họ sẽ thay đổi theo chất lượng và sức mạnh, như mọi khi.

Bộ nhớ cache L2

Cái tiếp theo chúng ta sẽ tìm thấy sẽ là bộ đệm L2 hoặc cấp 2. Điều này có dung lượng lưu trữ lớn hơn, mặc dù nó sẽ chậm hơn một chút, độ trễ khoảng 470 GB / giây và 2, 8 ns. Kích thước lưu trữ thường thay đổi trong khoảng 256 KB đến 18 MB. Chúng ta đã thấy rằng chúng là những năng lực đáng kể cho tốc độ mà chúng ta xử lý.

Các hướng dẫn và dữ liệu được lưu trữ trong đó và sẽ sớm được CPU sử dụng, và trong trường hợp này, nó không được chia thành Hướng dẫn và dữ liệu. Nhưng chúng tôi có bộ đệm L2 cho mỗi lõi, ít nhất đây là trường hợp có bộ xử lý phù hợp nhất. Đối với mỗi lõi, thường có 256, 512 hoặc tối đa 1024 KB.

Bộ nhớ cache L3

Cuối cùng, chúng ta sẽ tìm thấy bộ đệm L3, có một không gian dành riêng cho nó trên chip xử lý. Nó sẽ là lớn nhất và cũng chậm nhất, chúng ta đang nói về độ trễ hơn 200 GB / giây và độ trễ 11 ns.

Hiện tại một bộ xử lý xứng đáng sẽ có ít nhất 4 MB bộ đệm L3 và có thể nhìn thấy các ổ đĩa lên đến 64 MB. L3 thường trải rộng khoảng 2 MB cho mỗi lõi, nhưng hãy nói rằng nó không nằm trong mỗi lõi, vì vậy có một bus dữ liệu để liên lạc với chúng. Khả năng thanh toán và tốc độ của CPU chủ yếu phụ thuộc vào bus này và chính bộ nhớ RAM, và đây là nơi Intel có được sức mạnh từ AMD.

Làm thế nào để biết bộ đệm L1, L2 và L3 của bộ xử lý của tôi

Chà, một trong những cách nhanh nhất để biết thông tin này là tải xuống công cụ CPU-Z, nó hoàn toàn miễn phí và sẽ cung cấp cho bạn thông tin rất đầy đủ về CPU của bạn. Ngay cả ba cấp độ và số lượng lưu trữ cho mỗi. Bạn có thể tải nó từ trang web chính thức của nó.

Bạn cũng có thể đặt nhãn hiệu và kiểu máy trong trình duyệt và đến trang của nhà sản xuất, mặc dù chúng thường chỉ cung cấp thông tin về bộ đệm L3. Tất nhiên, trong tất cả các đánh giá về bộ xử lý, chúng tôi cung cấp thông tin đầy đủ về bộ đệm của mỗi CPU và chúng tôi đánh giá hiệu năng của nó.

Độ trễ, độ rộng bus và thiếu bộ nhớ cache

Chúng tôi đã hiểu rằng dữ liệu chảy từ ổ cứng đến lõi xử lý thông qua tất cả các cấp bộ nhớ. Trường hợp bộ xử lý tìm kiếm hướng dẫn tiếp theo để xử lý, trong bộ nhớ đệm, hệ thống chất lượng cần biết cách xác định chính xác dữ liệu dựa trên mức độ quan trọng của nó để giảm thiểu thời gian truy cập vào chúng, được gọi là độ trễ.

Độ trễ là thời gian cần thiết để truy cập dữ liệu từ bộ nhớ. Càng xa và chậm hơn, độ trễ cao hơn và CPU sẽ càng phải chờ lệnh tiếp theo. Do đó, khi một lệnh không được đặt trong bộ nhớ đệm, bộ xử lý phải tìm trực tiếp trong bộ nhớ RAM, đây được gọi là thiếu bộ nhớ cache hoặc bỏ lỡ bộ đệm, đây là khi PC bị chậm.

Độ rộng của bus cũng rất quan trọng đối với tốc độ, vì nó đánh dấu khả năng chuyển các khối dữ liệu lớn hơn từ bộ nhớ sang CPU. Cả CPU và RAM là 64 bit, nhưng chức năng Kênh đôi có khả năng nhân đôi dung lượng này lên 128 bit để việc truyền giữa các phần tử này có dung lượng lớn hơn.

Kết luận về bộ nhớ đệm L1, L2 và L3

Chúng tôi luôn xem xét rất nhiều về số lượng lõi và tốc độ của bộ xử lý, rõ ràng là nó quyết định phần lớn đến tổng tốc độ của nó. Nhưng một yếu tố đôi khi thường không được tính đến là bộ nhớ cache và nó rất cần thiết khi có bộ xử lý mạnh.

Chẳng hạn, có CPU 6 nhân với 4 hoặc 16 MB bộ đệm L3, sẽ rất có ý nghĩa khi đo hiệu năng của nó, đặc biệt là khi chúng tôi có nhiều chương trình mở. Vì vậy, từ bây giờ, hãy xem phần này khi bạn quyết định mua bộ xử lý, bởi vì không phải mọi thứ đều phụ thuộc vào tần số.

Chúng tôi có nhiều hướng dẫn thú vị hơn về chủ đề này, vì vậy ở đây chúng tôi để lại chúng:

Chúng tôi cũng đề nghị hướng dẫn phần cứng cập nhật của chúng tôi:

Chúng tôi hy vọng rằng tất cả thông tin này hữu ích cho bạn để biết thêm về bộ xử lý và bộ nhớ đệm. Nếu bạn có câu hỏi, bạn có thể hỏi chúng tôi trong hộp bình luận. Hẹn gặp lại trong hướng dẫn tiếp theo!