حافظه‌ی کش L1, L2 و L3 چیست و چه تاثیری در عملکرد پردازنده دارد
طراحی کش و سیستم کشینگ یکی از مهم ترین اتفاقات در تاریخ کامپیوتر به شمار می رود.
تمام پردازنده های امروزی از آن هایی که در موبایل ها استفاده می شوند
تا پردازنده های قدرتمند سرورها همگی حافظه ی کش دارند.
اما کش چیست و چرا وجود آن در پردازنده اهمیت دارد؟
تقریبا تمام پردازنده ها از پردازنده های کم مصرف و کم توانی
مانند Cortex-A5 آرم تا پردازنده های قدرتمندی همچون Core i7 اینتل
همگی از حافظه ی پرسرعتی به نام کش (Cache) بهره می برند.
حتی میکروکنترلرهای رده بالا نیز عموما کَشِ کوچکی دارند.
با وجود اینکه در طراحی آن ها مصرف انرژی اهمیت زیادی دارد و کش نیز انرژی مصرف می کند،
اما مزیت های حافظه ی کش آنقدر مهم هستند که استفاده از کش را توجیه می کند.
کشینگ و استفاده از کش اختراع شد تا یک مشکل جدی را حل کند.
در دهه های اولیه ی ظهور کامپیوتر، حافظه ی اصلی به شدت کند
و بسیار گران بود و از طرفی پردازنده ها نیز چندان سریع نبودند.
در دهه ی ۱۹۸۰ اختلاف سرعت بین حافظه و پردازنده افزایش یافت
و سرعت کلاکِ میکروپروسسورها مدام در حال افزایش بود.
در این شرایط همچنان حافظه ها کند بودند و درواقع نمی توانستند
پا به پای پردازنده ها دسترسی به اطلاعات را فراهم کنند.
اینجا بود که لزوم ساخت حافظه های سریع تر حس شد.
سال ۱۹۸۰ کش در میکروپروسسورها وجود نداشت.
در سال ۱۹۹۵ استفاده از سطح دوم کش رواج یافت.
حافظه کش چیست و چطور کار می کند؟
کش به زبان ساده یک حافظه ی بسیار سریع است
که دقیقا درکنار واحدهای منطقی پردازنده ی مرکزی قرار می گیرد.
البته قطعا حافظه ی کش بیش از این تعریف یک خطی در قدرت و سرعت پردازنده کاربرد و تأثیر دارد.
برای درک ابتدایی ساختار و کاربرد کش، یک حافظه ی فرضی بدون نقص را در نظر بگیرید.
سیستم ذخیره سازی جادویی ما، بی نهایت سریع است
و توانایی ذخیره سازی بی نهایت تراکنش داده را دارد.
همچنین داده های موجود در سیستم مذکور، برای همیشه امن هستند.
قطعا چنین حافظه ای وجود خارجی ندارد، اما اگر این سیستم توسعه پیدا می کرد،
طراحی پردازنده ها بسیار آسان می شد.
پردازنده ها در چنین فرضیه ای تنها برای انجام فرایندهای ریاضی
به واحدهای منطقی نیاز پیدا می کردند.
یک سیستم هم برای مدیریت تبادل داده ها مورد استفاده قرار می گرفت.
ازآنجاکه سیستم جادویی فرضی، امکان ارسال و دریافت آنی تمامی اعداد را داشت،
هیچ یک از واحدهای منطقی پردازنده، نیازی به منتظر ماندن برای تبادل داده ها نداشتند.
همان طور که می دانیم، سیستم جادویی فرضیه ی بالا وجود ندارد
و احتمال توسعه ی آن نیز به صفر میل می کند.
حافظه کش چطور کار میکند؟
به جای سیستم مذکور، درحال حاضر درایوهای حالت جامد را در دست داریم
که حتی بهترین نمونه ها در میان آن ها نیز توانایی مدیریت
تمامی تبادل های داده ای مورد نیاز پردازنده های عادی را ندارند.
چرا حافظه های سریع SSD هم توانایی مدیریت تمام نیازهای داده ای پردازنده را ندارند؟
پردازنده های مدرن، سرعت عملکرد زیادی دارند و به عنوان مثال،
در هر سیکل کلاک، امکان جمع کردن دو مقدار عدد صحیح ۶۴ بیتی را با هم دارند.
به بیان دیگر، چنین عملیاتی برای یک پردازنده ی چهار گیگاهرتزی،
تنها ۰/۰۰۰۰۰۰۰۰۰۲۵ یا یک چهارم نانوثانیه طول می کشد.
حال تصور کنید که هارد درایوهای مکانیکی، تنها برای پیدا کردن داده به چند هزار نانوثانیه نیاز دارند.
به علاوه، زمان تبادل داده را هم باید به این مقدار اضافه کنید.
حافظه های SSD با سرعت بسیار بالا هم برای پیدا کردن داده
به چند ده یا چند صد نانوثانیه زمان نیاز دارند.
حافظه کش
درایوهای ذخیره سازی سریع را نمی توان در داخل پردازنده ها توسعه داد.
درنتیجه همیشه یک فاصله ی فیزیکی بین بخش ذخیره سازی و پردازنده ی مرکزی وجود دارد.
همین فاصله، زمان دسترسی و جابه جایی داده را افزایش می دهد که موجب بدتر شدن شرایط می شود.
برای رفع چالش بالا، باید سیستم ذخیره سازی داده ی دیگری بین پردازنده
و حافظه ذخیره سازی اصلی اضافه کنیم.
حافظه ی جدید، باید سریع تر از درایو بوده و توانایی مدیریت تمامی
فرایندهای تبادل داده را به صورت هم زمان داشته باشد.
از همه مهم تر، این حافظه باید هرچه بیشتر به پردازنده نزدیک باشد.
حافظه ای که ترکیبی از پیش نیازها را داشته باشد،
در کامپیوترهای شخصی وجود دارد و آن را به نام رم (RAM) می شناسیم.
به بیان بهتر، نام DRAM برای این نوع از حافظه استفاده می شود
که توانایی تبادل داده ها را با سرعتی بسیار بیشتر از هر درایو ذخیره سازی دارد.
