Moderní počítačové systémy musí mít paměť cache, protože je rozhodující pro zvýšení výkonu celého systému. Slouží jako vysokorychlostní paměťová oblast, která ukládá často používané informace a příkazy, aby k nim procesor mohl rychle přistupovat. V tomto díle se budeme zabývat fungováním paměti cache, jejím významem a vyvrátíme některé mýty.
Základem fungování paměti cache je myšlenka lokality – časové i prostorové. Časová lokálnost popisuje sklon procesoru přistupovat ke stejným datům opakovaně v malém časovém úseku. Na druhou stranu prostorová lokálnost popisuje sklon procesoru přistupovat k datům, která jsou blízko dat, k nimž již bylo přistupováno. Paměť cache výrazně snižuje průměrnou dobu potřebnou k přístupu k datům z hlavní paměti tím, že využívá těchto dvou typů lokality.
Mezi procesorem a hierarchií hlavní paměti se nachází paměť cache. Paměť cache je prohledávána jako první, když procesor požaduje data. K zásahu do mezipaměti dojde, když jsou požadovaná data objevena v mezipaměti; v takovém případě jsou data okamžitě načtena. Je to důsledek toho, že paměť cache má výrazně rychlejší přístupové doby než hlavní paměť. K chybě cache naopak dochází, když se požadovaná data v cache nenacházejí. Informace jsou v tomto případě načteny z hlavní paměti a uloženy do mezipaměti pro pozdější použití.
Vrstvy cache paměti se běžně označují jako cache L1, L2 a L3. Nejmenší a nejrychlejší cache je L1 a nachází se nejblíže procesoru. Uchovává část informací a příkazů, které se používají nejčastěji. Mezipaměť L2 je větší než mezipaměť L1, přesto je o něco pomalejší. Uchovává další data a slouží jako záloha mezipaměti L1. Největší a nejpomalejší ze tří mezipamětí, L3, je sdílena několika jádry nebo procesory v systému.
Nyní objasním některá nedorozumění, která lidé o paměti cache mají. Je v pořádku odstraňovat mezipaměť? Ano, to je odpověď. Paměť cache má být dynamická a samosprávná. Na základě vzorců přístupu k datům automaticky upravuje svůj obsah. Paměť cache uvolní místo, když jsou systémové zdroje omezené, tím, že vymaže méně často využívaná data. Mazání paměti cache je tedy v případě potřeby bezpečné.
Vymažou se z paměti cache všechny informace? Ne, vymazání paměti cache neodstraní všechna data. V paměti cache se uchovávají pouze kopie dat, která se již nacházejí v hlavní paměti. Původní data uchovávaná v hlavní paměti nebudou vymazáním paměti cache ovlivněna.
Paměť cache je součástí operační paměti? Celá struktura paměti, jejíž součástí je i operační paměť RAM, zahrnuje paměť cache. Paměť cache je na druhou stranu rychlejší a menší než paměť RAM. Mezi procesorem a hlavní pamětí slouží jako vyrovnávací paměť a umožňuje rychlejší přístup k často používaným datům.
Závěrem lze říci, že paměť cache je důležitou součástí, která zlepšuje efektivitu systému tím, že ukládá do mezipaměti data a instrukce, ke kterým se často přistupuje. Výrazně minimalizuje dobu potřebnou k načtení dat a funguje na principu lokality. Jelikož je cache paměť dynamická a spravuje se sama, lze ji podle potřeby bezpečně vymazat. Přestože patří do hierarchie pamětí, je menší a rychlejší než paměť RAM. Pro zvýšení výkonu systému a zaručení efektivního přístupu k datům je nezbytné pochopit, jak cache paměť funguje.
Cache a RAM (paměť s náhodným přístupem) jsou dva typy počítačové paměti, které uchovávají informace pro rychlý přístup. Existují však mezi nimi některé významné rozdíly: Primární paměť počítače, neboli RAM, slouží k ukládání dat, která právě používá procesor (Central Processing Unit). Obsahuje operační systém, spuštěné aplikace a další zpracovávaná data. Naproti tomu mezipaměť je kompaktnější a rychlejší paměť, která ukládá často používaná data z paměti RAM ve snaze urychlit přístup procesoru k těmto datům. Velikost: Paměť RAM je často větší než mezipaměť.
2. V závislosti na vlastnostech počítače může mít velikost od několika megabajtů až po mnoho terabajtů. Naproti tomu velikost mezipaměti se obvykle měří v gigabajtech nebo kilobajtech. 3. Rychlost: Paměť cache je mnohem rychlejší než paměť RAM. Paměť cache pracuje pikosekundovou rychlostí, zatímco paměť RAM pracuje nanosekundovou rychlostí. Protože paměť cache je blíže procesoru a může poskytovat data podstatně rychleji, je tento rozdíl v rychlosti zásadní pro zkrácení doby, po kterou musí procesor čekat na přístup k datům.
4. Hierarchie: Paměť cache je v hierarchii paměti počítače umístěna mezi CPU a RAM. Existuje několik úrovní mezipaměti, včetně L1, L2 a L3, z nichž každá má odlišnou velikost a rychlost. Pokud potřebná data nelze nalézt v paměti cache, přejde procesor do paměti RAM nebo do další úrovně. 5. Náklady: Paměť cache je dražší než paměť RAM, protože má vyšší rychlost a menší velikost. V důsledku toho mají počítače ve srovnání s pamětí RAM méně paměti cache.
Závěrem lze říci, že ačkoli paměť RAM i cache jsou obě odrůdy počítačové paměti, mají odlišné funkce. Cache je menší a rychlejší paměť, která ukládá často používaná data z paměti RAM, aby se zkrátila přístupová doba procesoru. Operační paměť je primární paměť a obsahuje všechna aktuálně používaná data.
Z řady důvodů se místo paměti RAM (Random Access Memory) používá mezipaměť.
Cache je zaprvé mnohem rychlejší než RAM. K datům lze přistupovat a načítat je rychleji, protože se nachází blíže procesoru (Central Processing Unit). Díky této rychlostní výhodě, která je zásadní pro celkové zvýšení výkonu systému, může procesor získávat často používaná data z mezipaměti, místo aby musel čekat na jejich načtení z pomalejší paměti RAM.
Za druhé, ve srovnání s pamětí RAM je mezipaměť dražší a má menší kapacitu. Vzhledem k omezené kapacitě paměti RAM lze do mezipaměti uložit pouze část informací uložených v této paměti. Procesor může snížit počet návštěv dražší a pomalejší paměti RAM tím, že často přistupovaná data umístí do mezipaměti.
Posledním bodem je spolupráce mezipaměti se strukturou paměti procesoru. Využívá různé úrovně mezipaměti, včetně L1, L2 a L3, každá s různou rychlostí a kapacitou. Tato hierarchická struktura umožňuje efektivnější způsob načítání dat. Procesor nejprve kontroluje nejmenší a nejrychlejší úroveň mezipaměti (L1), a pokud v ní data nejsou, postupuje na úroveň 2 a tak dále, dokud je neobjeví nebo se nedostane do paměti RAM.
Závěrem lze říci, že mezipaměť je využívána spíše než operační paměť, protože umožňuje rychlejší přístup k datům, snižuje potřebu pomalejší operační paměti a umožňuje optimalizovat hierarchii paměti procesoru.