Was ist ein CPU-Cache? (Mit Bildern)
Der Cache der Zentraleinheit (CPU) ist eine Art Direktzugriffsspeicher (RAM), der direkt in den Mikroprozessor selbst eines Computers eingebaut ist und als L1-Cache bezeichnet wird. Eine andere Art von CPU-Cache sind L2-SRAM-Chips (Static RAM) mit begrenzter Kapazität auf der Hauptplatine. Auf diese beiden Speichertypen greift der Mikroprozessor als erster zu, wenn er Routineanweisungen ausführt, bevor der Standard-RAM-Speicher verwendet wird, und dies verleiht den Prozessoren verbesserte Leistungseigenschaften.
Die Praxis, CPU-Cache-Speicher für den sofortigen Zugriff auf Speicher auf Mikroprozessoren zu platzieren, um den Datenzugriff für den Prozessor zu beschleunigen, wurde seit der Schaffung des 1989 hergestellten 80486-Computerprozessors durchgeführt, in den ein rudimentäres L1-Cache-Register eingebaut war. Größere Ebenen des L2-Cache, die direkt in die Prozessorfunktionalität integriert wurden, wurden 1995 verwendet. Ab 2011 gibt es in einigen Computersystemen, die als L3 bezeichnet werden, auch eine dritte Ebene des CPU-Cache-Speichers, auf die vor dem Hauptspeicher des Systems zugegriffen wird selbst verwendet wird. Jede Cache-Ebene ist so ausgelegt, dass sie mit zunehmendem Abstand zum Mikroprozessor größer und langsamer ist. Die frühesten Ebenen des L1-CPU-Cache waren 8 Kilobyte groß, wobei der L2-Cache auf Computern ab 2007 bereits die Größenbeschränkung von 6 Megabyte überschritt, und einige Systeme ab 2011 hatten einen L4-Cache-Puffer mit einer Größe von bis zu 64 Megabyte.
Die Funktion des schnellen Cache-Speichers mit geringem Volumen für Mikroprozessoren konzentriert sich auf die Art und Weise, wie sie Anweisungen ausführen. Während ein Mikroprozessor Operationen ausführt, muss er traditionell Datenanforderungen über den Systembus an den Hauptspeicher senden. In Bezug auf den Computer ist dies ein sehr langsamer Prozess. Daher haben die CPU-Designer Verknüpfungen für den Prozess für Daten erstellt, auf die der Mikroprozessor wiederholt zugreift. Wenn Daten, auf die häufig zugegriffen wird, bereits in den CPU-Cache geladen sind, kann der Mikroprozessor Operationen mit einer viel schnelleren und effizienteren Rate ausführen. Aus diesem Grund wird dieser Zentraleinheitsspeicher häufig als Befehls-Cache oder Daten-Cache bezeichnet, wo er direkt mit der Funktionalität des Mikroprozessors und der Hardware des Computers selbst verbunden ist. Im Gegensatz dazu ist ein Großteil der im Standard-RAM eines Computers gespeicherten Daten ein Software-Cache für die vielen Programme, die der Computer gleichzeitig ausführt.
Der L1-Cache wird häufig auch als geschützter Speicher oder Speicher ohne Schreibzugriff bezeichnet, da die in diesem Cache gespeicherten Daten für die Funktion des Computers wesentlich sind. Wenn es versehentlich überschrieben wird, kann der Computer eine allgemeine Schutzverletzung erleiden, bei der er gezwungen ist, sich selbst herunterzufahren und neu zu starten, um den beschädigten CPU-Cache zu löschen. Verschiedene Ebenen des CPU-Caches verfügen über eine Schreibpufferfunktion, bei der dort gespeicherte Daten in den Hauptspeicher zurückgeschrieben werden, um Speicherplatz im Cache freizugeben, wenn Operationen, auf die häufiger zugegriffen wird, bei der Verarbeitung eine höhere Priorität haben müssen.
Große Mengen an CPU-Cache verbessern die Leistung eines Mikroprozessors bis zu einem Punkt, an dem er einen schnelleren Prozessor mit weniger integriertem Cache-Speicher übertreffen kann. Die Geschwindigkeit des Front-Side-Busses (FSB) bestimmt auch die Leistung des Mikroprozessors. Busgeschwindigkeiten waren im Allgemeinen traditionell ein Engpass bei den Leistungsmerkmalen von Personal Computern (PCs), bei denen die Verarbeitung über den Bus zum Speicher hin und her geleitet werden muss. Die hohen FSB-Raten für Core 2-Prozessoren liegen ab 2011 bei 1.600 Megahertz (1.600 Millionen Zyklen pro Sekunde) der Computeranweisungen.