Jak funguje vyrovnávací paměť?

Co je v mezipaměti?
Dočasné úložiště dat nashromážděných internetovým prohlížečem při procházení webu, včetně prvků z webových stránek, které často navštěvujete. Mezipaměť obsahuje nejrůznější data jako například hesla nebo odpovědi, které jste zadali do online formulářů. Data uložená v mezipaměti můžete kdykoli smazat.
Další informace najdete na support.google.com

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.

FAQ
Jaký je rozdíl mezi pamětí RAM a mezipamětí?

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.

Proč používat mezipaměť místo paměti RAM?

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.