هر آنچه در مورد حافظه کش سی پی یو باید بدانید!

در سال های اخیر، پردازنده‌های کامپیوتر به سرعت در حال پیشرفت بودند. این در حالی بود که زمان دسترسی حافظه رم به پردازنده تغییری نکرده بود و نمیتوانست با سرعت پردازنده هماهنگ شود. در نتیجه برای افزایش سرعت دسترسی به حافظه و به طور کل افزایش عملکرد سیستم باید کاری انجام میشد. 

اختلاف سرعت پردازش سیستم و دسترسی به حافظه در نهایت منجر به توسعه حافظه کش پردازنده شد. حافظه کش یک نوع حافظه بسیار کوچک و سریع است که در پردازنده وجود دارد و باعث افزایش سرعت پردازش میشود. 

حافظه کش پردازنده چیست؟

در واقع کامپیوتر‌ها دارای چندین نوع حافظه هستند. حافظه اصلی کامپیوتر که همان هارد دیسک یا SSD است و داده ها و دستورالعمل هارا در خود ذخیره می کند. 

بعد از آن حافظه رم کامپیوتر را داریم که سرعت بالاتری نسبت به هارد دیسک دارد.اما ظرفیت آن پایین تر است و یک حافظه موقت محسوب می شود. کامپیوتر و نرم افزارها داده ها را به طور مرتب در رم قرار می دهند تا دستورالعمل ها را با سرعت بیشتری انجام دهد. و در آخر به حافظه کش پردازنده میرسیم. این حافظه سرعت بالاتری در بین پردازنده های موجود دارد. 

کش سی پی یو نزدیک ترین حافظه به پردازنده است که داخل cpu قرار می گیرد و دسترسی سریعی به پردازنده دارد. این حفظه از نوع استاتیک است و برخلاف رم کامپیوتر که داینامیک هست نیازی به رفرش مداوم ندارد. 

شرح سطوح مختلف حافظه در کامپیوتر

زمانی که شما یک برنامه را در کامپیوتر خود اجرا می کنید، مجموعه‌ای از دستورالعمل ها را برای پردازش در اختیار پردازنده یا سی پی یو قرار می دهید. در اینجا سلسله مراتب رسیدن داده به پردازنده شرح می دهیم. 

زمانی که یک برنامه را باز می‌کنید، داده ها طبق سلسله مراتب حافظه روی هارد قرار می گیرد و از آن‌جا به رم منتقل می شود. SSD یا همان solid state drive حافظه ذخیره ساز دائمی است و به این معناست که هیچ بخش متحرکی را شامل نمی شود. از طرفی یک نوع حافظه ذخیره ساز دائمی است. 

اما رم کامپیوتر (RAM) یا Random Access Memory حافظه تصادفی کامپیوتر است. در واقع رم یک حافظه موقت و بسیار سریع تر از هارد دیسک است که از طریق آن داده به پردازنده منتقل می شود. اما رسیدن داده از رم به سی پی یو به این صورت است که ابتدا داده وارد حافظه کش پردازنده شده و بعد از آن برای اجرا دستورالعمل و پردازش آن به سی پی یو انتقال پیدا می کند. حافظه کش پردازنده دارای سلسله مراتب است. 

نکته: حافظه کش پردازنده یک حافظه ایستا (SRAM) به شمار می آید. اما رم کامیپوتر یک حافظه پویا یا داینامیک (DRAM) است. به این معنی که هر چند میلی ثانیه داده را رفرش می کند اما در حافظه کش پردازنده داده را نگه می دارد. 

سطوح مختلف حافظه کش پردازنده

پردازنده دارای سه سطح برای حافظه است: کش L1 ، L2 و L3. 

داده ها از رم به کش L3 منتقل می شود. پس از آن به ترتیب وارد کش L2 و سپس L1 می شوند. کش L1 سریع ترین حافظه کش پردازنده است اما نسبت به L2 و L3 ظرفیت کمتری دارد. پس پردازنده داده هایی که برای یک کار خاص به نیاز پیدا می کند را در این کش نگه می دارد. 

کش L2 کند تر از کش L1 است اما طرفیت بالاتری دارد. در نهایت کش L3 بزرگترین کش پردازنده محسوب می شود اما از طرفی پایین ترین سرعت را دارد. 

ثبات پردازنده (register) 

ثبات پردازنده یا رجیستر کوچکترین و در عین حال سریعترین حافظه کامپیوتر است و در داخل هسته پردازنده قرار دارد. ذخیره سازی داده به صورت موقت و سریع انجام می شود. رجیستر برای پردازش سریع دستورالعمل ها به کمک پردازنده می‌آید. 

نحوه پردازش داده در سطوح مختلف حافظه

زمانی که پردازنده می خواهد کاری انجام دهد، ابتدا در register به دنبال آن می گردد. اگر داده را پیدا کند برای پردازش وارد هسته پردازنده می شود. بعد از انجام پردازش ، داده پردازش شده به ترتیب وارد رم می شود و از آن جا با توجه به نوع داده به حافظه گرافیکی و یا هارد دیسک می روند. 

اما اگر داده را پیدا نکند این فرایند برای کش L1، کش L2 و L3 تکرار می شود.  اگر پردازنده در سطوح مختلف حافظه کش به داده دست پیدا نکند، تلاش می کند تا از طریق رم به آن دست پیدا کند. اما اگر در رم هم نبود درخواست فراخوانی کل داده از هارد دیسک انجام می شود و طبق سلسله مراتب برای پردازش به پردازنده می رسد. 

سوالات متداول

۱. حافظه کش پردازنده چیست و چرا اهمیت دارد؟

حافظه کش پردازنده یک نوع حافظه بسیار سریع و کوچک است که داخل خود پردازنده قرار دارد. وظیفه آن کاهش زمان دسترسی به داده‌هایی است که پردازنده به طور مکرر به آن‌ها نیاز دارد، تا عملکرد کلی سیستم افزایش یابد و پردازش‌ها سریع‌تر انجام شوند.

2. تفاوت حافظه کش با RAM و هارد دیسک چیست؟

حافظه کش بسیار سریع‌تر و کوچک‌تر از RAM است و مستقیماً در پردازنده قرار دارد. RAM نسبت به کش کندتر اما از هارد سریع‌تر است و داده‌ها را به‌طور موقت نگه می‌دارد. هارد دیسک یا SSD حافظه‌ای دائمی است اما از همه کندتر عمل می‌کند.

3. سطوح مختلف حافظه کش (L1، L2، L3) چه تفاوتی با هم دارند؟

L1 سریع‌ترین و کوچک‌ترین سطح کش است که نزدیک‌ترین ارتباط را با هسته پردازنده دارد. کش L2 کمی کندتر اما با ظرفیت بیشتر است. کش L3 بزرگ‌ترین ظرفیت را دارد ولی کندترین سطح کش محسوب می‌شود و بین همه هسته‌ها به اشتراک گذاشته می‌شود.