ما هي ذاكرة التخزين المؤقت l1 و l2 و l3 وكيف تعمل؟

هل سمعت من قبل عن ذاكرة التخزين المؤقت L1 و L2 و L3 ؟ نعم بالتأكيد ، ولكن إذا لم تكن متأكدًا مما تعنيه مستويات ذاكرة التخزين المؤقت هذه حقًا ، فسنحاول في هذه المقالة شرح كل شيء بأفضل ما لدينا. من الآن فصاعدًا ، ستفهم خصائص الذاكرة للمعالج بشكل أفضل.

ستعرف بالفعل أن أحد أهم مكونات الكمبيوتر هو ذاكرته ، فنحن نتحدث بالطبع عن ذاكرة RAM ، حيث يتم تحميل جميع البرامج ونظام التشغيل بحيث يتم استخدامها من قبل المعالج أو الحاجة للوصول إلى القرص صعب.

ذاكرة الوصول العشوائي أسرع بكثير من القرص الصلب ، وخاصة من محركات الأقراص الميكانيكية. ولكن لا تزال هناك ذاكرة أسرع في جهاز الكمبيوتر الخاص بنا ، خاصة داخل معالجنا ، وهذه هي ذاكرة التخزين المؤقت ، وهو ما سنراه اليوم.

فهرس المحتويات

ما هي ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية

أول شيء يجب أن نعرفه هو ما هي ذاكرة التخزين المؤقت بشكل عام. كما قلنا من قبل ، يوجد داخل الكمبيوتر الشخصي عدة أنواع من الذاكرة ، وبالتحديد ستكون ذاكرة التخزين المؤقت هي الأسرع على الإطلاق.

مستويات التخزين

للبدء ، في الخطوة الأولى سيكون لدينا التخزين الأساسي ، وهو بلا شك محركات أقراص صلبة. يتم تخزين جميع المعلومات فيها بشكل دائم ، من خلالها يصنع نظام التشغيل جهاز كمبيوتر فعال. إنها أبطأ ذاكرة ، من حوالي 150 ميجابايت / ثانية على محرك أقراص ثابتة (محرك أقراص ثابتة ميكانيكي) إلى 3500 ميجابايت / ثانية مثيرة للإعجاب من أسرع محركات أقراص الحالة الصلبة في السوق.

ثانيًا ، سيكون لدينا ذاكرة وصول عشوائي أو ذاكرة وصول عشوائي. إنها ذاكرة صلبة أصغر ، غير قادرة على تخزين البيانات بشكل دائم وتعمل كبوابة بين القرص الصلب والمعالج. يوفر سرعة أكبر من 30،000 ميجابايت / ثانية في DDR4. تسمى الذاكرة أيضًا DRAM (ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية) لأنها تحتاج إلى التحديث المستمر لتجنب فقدان المعلومات.

المستوى الثالث الأسرع

وأخيرًا نأتي إلى واحد في الأعلى ، ذاكرة التخزين المؤقت. إنها ذاكرة صغيرة جدًا يتم تثبيتها داخل المعالج الدقيق الخاص بها ونوع ذاكرة الوصول العشوائي (SRAM). إن تصنيعه أكثر تكلفة بكثير من ذاكرة الوصول العشوائي العادية ، ويمكنه الاحتفاظ بالبيانات دون تحديثها باستمرار.

حقيقة تثبيته داخل وحدة المعالجة المركزية يجعله الأقرب إلى نوى المعالجة ، ولهذا السبب يجب أن يكون سريعًا. في الواقع ، تصل سرعاتها إلى أكثر من 200 جيجابايت / ثانية وزمن وصول يبلغ حوالي 10 أو 11 نانوثانية (نانو ثانية). ذاكرة التخزين المؤقت هي المسؤولة عن تخزين التعليمات التي ستعالجها وحدة المعالجة المركزية قريباً ، بحيث يمكنها الوصول إليها بأسرع وقت ممكن.

وتنقسم ذاكرة التخزين المؤقت بدورها إلى عدة مستويات ، كل منها أسرع وأصغر وأقرب إلى المعالج. تحتوي المعالجات حاليًا على ما مجموعه ثلاثة مستويات من ذاكرة التخزين المؤقت بالداخل. قبل الدخول في هذا ، دعنا نلقي نظرة سريعة على كيفية عمل ذاكرة التخزين المؤقت.

كيف يعمل التخزين المؤقت

قد لا تعرف ذلك ، ولكن جميع الأجهزة الطرفية وعناصر الكمبيوتر تقريبًا لها ذاكرة تخزين مؤقت خاصة بها ، على سبيل المثال ، محركات الأقراص الصلبة نفسها ، والطابعة ، وبالطبع GPUs لبطاقات الرسومات. ووظيفة كل منهم ، بما في ذلك وظيفة وحدة المعالجة المركزية ستكون هي نفسها.

كما نعلم ، فإن الكمبيوتر "ذكي" بفضل نظام التشغيل وبرامجه. يتم إنشاء كل من هذه البرامج من لغة برمجة ، والتي بدورها عبارة عن مجموعة من التعليمات التي يجب تنفيذها بطريقة منظمة في وحدة المعالجة المركزية. نقول بطريقة منظمة لأنه في هذه المرحلة من المنطقي تحديد مستويات مختلفة من التخزين.

يتم تخزين البيانات بطريقة ثابتة في محركات الأقراص الثابتة ، ولكن نظرًا لأنها بطيئة جدًا وبعيدة جدًا عن وحدة المعالجة المركزية ، يتم تحميلها من قبل في ذاكرة الوصول العشوائي ، وهي وحدة تخزين أسرع بكثير وتستخدم فقط للبرامج التي في العملية.

وحدة تحكم الذاكرة تلعب دورها

لكنها لا تزال غير كافية ، لأن وحدات المعالجة المركزية الحالية سريعة جدًا وقادرة على تنفيذ ملايين العمليات كل ثانية على كل نواة ، تدخل ذاكرة التخزين المؤقت. يوجد في وحدة المعالجة المركزية وحدة تحكم في الذاكرة ، وهي في الأساس ما كان يُطلق عليه سابقًا الجسر الشمالي أو الجسر الشمالي وكان عبارة عن شريحة مثبتة على اللوحة الأم. حسنًا ، وحدة تحكم الذاكرة هذه موجودة الآن داخل وحدة المعالجة المركزية وهي مسؤولة عن أخذ التعليمات التي سيتم تنفيذها من ذاكرة RAM ، وكذلك إرجاع نتائج دورة المعالجة.

ولكن هناك أيضًا نوعان من الحافلات المسؤولة عن توصيل وحدة المعالجة المركزية بذاكرة RAM ، ويطلق عليهما ناقل البيانات وناقل العنوان:

• ناقل البيانات: هي في الأساس المسارات حيث يتم تداول البيانات والتعليمات. سيكون هناك ناقل بيانات ينقل ذاكرة الوصول العشوائي وذاكرة التخزين المؤقت والنوى مع بعضها البعض. ناقل العنوان: هو قناة مستقلة حيث تطلب وحدة المعالجة المركزية عنوان الذاكرة حيث توجد البيانات. يتم تخزين التعليمات في خلايا الذاكرة ، التي لها عنوان ، ويجب أن تعرفها كل من ذاكرة الوصول العشوائي وذاكرة التخزين المؤقت ووحدة المعالجة المركزية لتحديد موقع البيانات المعنية.

ذاكرة التخزين المؤقت L1 و L2 و L3

الآن ، نحن نفهم بالفعل تقريبًا كيفية عمل التخزين على جهاز الكمبيوتر ، وكيف يعمل التخزين المؤقت. ولكن يجب أن نعلم أن هناك ذاكرة تخزين مؤقت L1 و L2 و L3 داخل وحدة المعالجة المركزية ، يبدو أنه لا يصدق أن شيئًا صغيرًا جدًا يناسب الكثير من الحق؟ لهذه المستويات الثلاثة من ذاكرة التخزين المؤقت تلبي التسلسل الهرمي للسرعة وبالطبع السعة.

ذاكرة التخزين المؤقت L1

ذاكرة التخزين المؤقت L1 هي أسرع تكوين ، وهي الأقرب إلى النوى. يقوم هذا بتخزين البيانات التي سيتم استخدامها على الفور من قبل وحدة المعالجة المركزية ، وهذا هو السبب في أن السرعات تبلغ حوالي 1150 جيجابايت / ثانية وزمن الوصول هو 0.9 نانوثانية فقط .

يبلغ حجم ذاكرة التخزين المؤقت هذه حوالي 256 كيلوبايت في المجموع ، على الرغم من أنه اعتمادًا على قوة وحدة المعالجة المركزية (والتكلفة) ستكون أقل أو أكثر ، في الواقع ، تحتوي معالجات محطات العمل مثل Intel Core i9-7980 XE على بعض 1152 كيلوبايت في المجموع.

يتم تقسيم ذاكرة التخزين المؤقت L1 إلى نوعين ، ذاكرة التخزين المؤقت للبيانات L1 وذاكرة التخزين المؤقت للتعليمات L1 ، الأول مسؤول عن تخزين البيانات المراد معالجتها والثاني يخزن المعلومات حول العملية التي سيتم إجراؤها (الجمع والطرح والضرب ، الخ).

بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي كل قلب على مخابئ L1 خاصة به ، لذلك إذا كان لدينا معالج سداسي النوى ، فسيكون لدينا 6 مخابئ L1 مقسمة إلى L1 D و L1 I. في معالجات Intel كل منها 32 كيلوبايت ، وفي معالجات AMD هي أيضًا 32 كيلوبايت أو 64 كيلوبايت على L1 I. بالطبع ستختلف حسب الجودة والقوة ، كما هو الحال دائمًا.

ذاكرة التخزين المؤقت L2

المرحلة التالية التي سنجدها ستكون ذاكرة التخزين المؤقت L2 أو المستوى 2. يحتوي هذا على سعة تخزين أكبر ، على الرغم من أنه سيكون أبطأ قليلاً ، حوالي 470 جيجابايت / ثانية و 2.8 نانوثانية. يتراوح حجم التخزين عادةً بين 256 كيلوبايت و 18 ميجابايت. نحن نرى بالفعل أنها قدرات كبيرة للسرعات التي نتعامل معها.

يتم تخزين التعليمات والبيانات فيه وسيتم استخدامها قريبًا بواسطة وحدة المعالجة المركزية ، وفي هذه الحالة لا يتم تقسيمها إلى تعليمات وبيانات. ولكن لدينا ذاكرة تخزين مؤقت L2 لكل نواة ، على الأقل هذا هو الحال مع أكثر المعالجات صلة. لكل نواة ، يوجد عادة 256 أو 512 أو حتى 1024 كيلو بايت.

ذاكرة التخزين المؤقت L3

أخيرًا ، سنجد ذاكرة التخزين المؤقت L3 ، التي تحتوي على مساحة مخصصة لها على شريحة المعالج. سيكون الأكبر والأبطأ أيضًا ، نتحدث عن أكثر من 200 غيغابايت / ثانية و 11 نانومتر من الكمون.

في الوقت الحالي ، سيحتوي المعالج الجدير على 4 ميجابايت على الأقل من ذاكرة التخزين المؤقت L3 ، ويمكن رؤية محركات الأقراص التي تصل إلى 64 ميجابايت. عادةً ما يتم توزيع L3 على حوالي 2 ميغابايت لكل قلب ، ولكن دعنا نقول فقط أنه ليس داخل كل قلب ، لذلك هناك ناقل بيانات للتواصل معهم. تعتمد ملاءة وسرعة وحدة المعالجة المركزية إلى حد كبير على هذا الناقل وذاكرة RAM نفسها ، وهنا تحصل Intel على قوتها من AMD.

كيف تعرف ذاكرة التخزين المؤقت L1 و L2 و L3 للمعالج الخاص بي

حسنًا ، واحدة من أسرع الطرق لمعرفة هذه المعلومات هي تنزيل أداة CPU-Z ، وهي مجانية تمامًا وستوفر لك معلومات كاملة جدًا حول وحدة المعالجة المركزية الخاصة بك. حتى المستويات الثلاثة وكمية التخزين لكل منها. يمكنك تنزيله من موقعه الرسمي.

يمكنك أيضًا وضع الطراز والطراز في المتصفح والتوجه إلى صفحة الشركة المصنعة ، على الرغم من أنها عادة ما توفر معلومات حول ذاكرة التخزين المؤقت L3 فقط. بالطبع ، في جميع مراجعاتنا للمعالجات ، نقدم معلومات كاملة حول ذاكرة التخزين المؤقت لكل وحدة معالجة مركزية ونقيس أداءها.

الكمون وعرض الحافلة ونقص ذاكرة التخزين المؤقت

لقد أدركنا أن البيانات تتدفق من محرك الأقراص الثابتة إلى قلب المعالجة عبر جميع مستويات الذاكرة. عندما يبحث المعالج لأول مرة عن التعليمات التالية لمعالجتها ، موجودة في ذاكرة التخزين المؤقت ، يجب أن يعرف نظام الجودة كيفية تحديد موقع البيانات بشكل صحيح بناءً على أهميتها من أجل تقليل أوقات الوصول إليها ، والتي تسمى زمن الوصول.

وقت الاستجابة هو الوقت المستغرق للوصول إلى البيانات من الذاكرة. وكلما كان الكمون أطول وأبطأ وأعلى وأطول ، سيتعين على وحدة المعالجة المركزية انتظار التعليمات التالية. وبالتالي ، عندما لا توجد تعليمات في ذاكرة التخزين المؤقت ، يجب على المعالج البحث عنها مباشرة في ذاكرة RAM ، وهذا ما يسمى نقص ذاكرة التخزين المؤقت أو فقدان ذاكرة التخزين المؤقت ، وذلك عندما يكون جهاز الكمبيوتر أبطأ.

كما أن عرض الناقل ذو أهمية كبيرة للسرعة ، لأنه يشير إلى القدرة على نقل كتل أكبر من البيانات من الذاكرة إلى وحدة المعالجة المركزية. يبلغ حجم كل من وحدة المعالجة المركزية وذاكرة الوصول العشوائي 64 بت ، ولكن وظيفة القناة المزدوجة قادرة على مضاعفة هذه السعة إلى 128 بت بحيث يكون للنقل بين هذه العناصر سعة أكبر.

استنتاج حول ذاكرة التخزين المؤقت L1 و L2 و L3

نحن ننظر دائمًا كثيرًا إلى عدد النوى وسرعة المعالج ، ومن الواضح أنه يحدد إلى حد كبير السرعة الإجمالية له. لكن العنصر الذي لا يؤخذ في الاعتبار في بعض الأحيان هو ذاكرة التخزين المؤقت ، وهي ضرورية عندما يتعلق الأمر بامتلاك معالج قوي.

إن امتلاك وحدة معالجة مركزية سداسية النوى مع 4 أو 16 ميجابايت من ذاكرة التخزين المؤقت L3 على سبيل المثال ، سيكون مهمًا جدًا عندما يتعلق الأمر بقياس أدائها ، خاصة عندما يكون لدينا العديد من البرامج المفتوحة. لذا ، من الآن فصاعدًا ، ألق نظرة فاحصة على هذا القسم عندما تقرر شراء معالج ، لأنه لا يعتمد كل شيء على التردد.

لدينا دروس أكثر إثارة للاهتمام حول هذا الموضوع ، لذا نتركها هنا:

نوصي أيضًا بأدلة الأجهزة المحدثة:

نأمل أن تكون جميع هذه المعلومات مفيدة لك لمعرفة المزيد عن المعالجات وذاكرة التخزين المؤقت. إذا كانت لديك أسئلة ، يمكنك طرحها في مربع التعليق. نراكم في البرنامج التعليمي التالي!