Тема 5. Кеш- пам'ять

1. Загальні питання кешування пам’яті

Кеш-пам’ять персональних комп’ютерів є високошвидкісним буфером, побудованим на мікросхемах SRAM ( Static RAM – статична оперативна пам’ять), який безпосередньо обмінюється даними з процесором. Така пам’ять наявна у всіх 32-розрядних 64-розрядних сучасних процесорах.

Статична пам’ять SRAM без проблем працює на частотах в декілька гігагерц, тобто кеш на основі такої пам’яті може працювати на тактовій частоті процесора. Динамічна пам’ять DRAM функціонує на частотах істотно нижчих. Наприклад, ефективна частота найпоширенішої сьогодні DRAM-пам’яті DDR3 становить 1600 МГц. Однак це саме ефективна частота пам’яті, тобто частота, з якою дані надходять на зовнішню шину в пакетному режимі доступу, а реальна частота ядра пам’яті становить всього 200 МГц. Звичайно ж, нас цікавить в першу чергу саме ефективна частота пам’яті, тобто 1600 МГц, або 1,6 ГГц. Здавалося б, це немало, але потрібно враховувати і таймінги пам’яті, які характеризують її латентність. Причому таймінги пам’яті визначаються в тактах роботи ядра пам’яті, а не в тактах ефективної частоти, тобто для пам’яті DDR3-1600 c частотою роботи ядра пам’яті 200 МГц кожен такт становить 1/200 МГц = 5 нс. У той же час такт процесора з частотою, наприклад, 3 ГГц триває всього 0,3 нс, тобто в 17 разів менше.

Кеш (від англ. Cache - схованка) - особлива швидкісна пам'ять або частина ОЗП, де зберігаються копії часто використовуваних даних. Забезпечує до них швидкий доступ. Кеш пам'ять зберігає вміст і адресу даних, до яких часто звертається процесор. Під час чергового звертання процесора до адреси пам'яті, перевіряється наявність цієї адреси у кеші. Якщо відповідні дані наявні, вони передаються процесору з кешу. Це дозволяє скоротити тривалість обміну, оскільки швидкодія кешу більша за швидкодію звичайної пам'яті. Вибір даних зі звичайної (повільнішої) пам'яті здійснюється лише тоді, коли потрібні процесору дані в кеші відсутні. Вперще ке-пам’ять було застосовано у 1965 році М. Уїлксом в процесі розробки мікропроцесора Atlas та обчислювальній машині Моделі 85, наступної в лінії IBM System/360.