ما هو L0 Cache؟

وحدات المعالجة المركزية هي وحوش معقدة بشكل لا يصدق. هناك العديد من الأجزاء المترابطة التي يجب أن تعمل جميعها في انسجام تام لتحقيق مستويات الأداء التي نراها. واحدة من السمات الرئيسية لوحدة المعالجة المركزية هي ذاكرة التخزين المؤقت. إنها ليست ميزة براقة. لا يتم الإعلان عن العدد الأساسي أو تردد تعزيز الذروة. إنه أمر بالغ الأهمية للأداء ، على الرغم من ذلك.

لماذا الكاش؟

وحدات المعالجة المركزية الحديثة سريعة بشكل لا يصدق. يجرون أكثر من خمسة مليارات عملية كل ثانية. من الصعب الحفاظ على تغذية وحدة المعالجة المركزية بالبيانات عندما تعمل بهذه السرعة. ذاكرة الوصول العشوائي لديها سعة كافية لتزويد وحدة المعالجة المركزية بالبيانات. يمكنه حتى نقل البيانات كل ثانية ، وذلك بفضل النطاقات العالية جدًا. هذه ليست المشكلة ، رغم ذلك. المشكلة هي الكمون.

يمكن أن تستجيب ذاكرة الوصول العشوائي بسرعة كبيرة. المشكلة هي أن "بسرعة كبيرة" هي فترة طويلة عندما تقوم بخمسة مليارات شيء كل ثانية. حتى أسرع ذاكرة الوصول العشوائي لديها زمن انتقال يزيد عن 60 نانوثانية. مرة أخرى ، 60 نانوثانية تبدو وكأنها لا وقت على الإطلاق. تكمن المشكلة في أنه إذا كانت وحدة المعالجة المركزية تعمل بسرعة 1 جيجاهرتز ، فسيستغرق الأمر 1 نانوثانية لإكمال الدورة. مع وحدات المعالجة المركزية المتطورة التي تصل إلى 5.7 جيجاهرتز ، هذه دورة واحدة كل 175 بيكو ثانية. كيف تبدو 60 نانوثانية من زمن الانتقال الآن؟ هذا هو 342 دورة من الكمون.

سيكون هذا النوع من الكمون قاتلًا لأي أداء لوحدة المعالجة المركزية. للتغلب على ذلك ، يتم استخدام ذاكرة التخزين المؤقت. يتم وضع ذاكرة التخزين المؤقت على وحدة المعالجة المركزية يموت نفسها. إنها أيضًا أصغر بكثير من ذاكرة الوصول العشوائي وتستخدم بنية مختلفة ، SRAM بدلاً من DRAM. هذا يجعل الاستجابة أسرع بكثير من ذاكرة الوصول العشوائي للنظام الرئيسي. عادةً ما تكون ذاكرة التخزين المؤقت متدرجة ، حيث يتم استخدام L1 و L2 و L3 للإشارة إلى المستويات التي تنتقل أكثر فأكثر من نوى وحدة المعالجة المركزية. المستويات الدنيا أسرع ولكنها أصغر. يمكن أن يكون للكمون L1 أربع أو خمس دورات على مدار الساعة ، وهو أفضل بكثير من 342.

لكن بعض وحدات المعالجة المركزية تشير إلى L0؟

تعتبر مصطلحات L1 و L2 و L3 قياسية جدًا. يعد الفهم الغامض لما يقصدونه ويفعلونه أمرًا شائعًا نسبيًا ، حتى بين بائعي وحدة المعالجة المركزية. هذا لأنها تحكمها فيزياء المواد والكهرباء. لا يمكن تغيير الكثير. يمكن أن يكون لديك ذاكرة تخزين مؤقت سريعة أو ذاكرة تخزين مؤقت كبيرة ، وليس كلاهما. يجب أن يكون أكبر إذا قمت بمشاركة ذاكرة تخزين مؤقت بين نوى متعددة. تحقيقا لهذه الغاية ، تميل L1 و L2 إلى أن تكون محددة الأساسية. تميل ذاكرة التخزين المؤقت الأكبر L3 إلى أن تكون مشتركة بين بعض أو كل النوى على وحدة المعالجة المركزية أو رقاقة.

كما يمكنك التخمين على الأرجح ، يرتبط L0 بالتخزين المؤقت ولكن تم دفعه في مخطط التسمية بعد الحقيقة. ومع ذلك ، فإنه لا يساعد في فهم ما تعنيه. ربما يمكنك تخمين بعض الأشياء ، على الرغم من ذلك. ستقتصر على نواة واحدة ، وستكون صغيرة ، وستكون سريعة. يمكن أن يساعد الاسم الآخر الذي يستخدمه قليلاً ؛ هذا هو ذاكرة التخزين المؤقت الدقيقة.

بدلاً من التخزين المؤقت للبيانات من الذاكرة ، أو التعليمات الكاملة ، يقوم L0 بتخزين العمليات الصغيرة مؤقتًا. كما وصفنا مؤخرًا ، يعد micro-op إحدى ميزات وحدات المعالجة المركزية الحديثة. التعليمات في x86 وغيره من ISA كبيرة ومعقدة وصعبة لتلائم بكفاءة في خط الأنابيب. يمكنك توجيهها بكفاءة أكبر إذا قسمتها إلى عمليات صغيرة مكونة. في بعض الحالات ، يمكنك حتى تجميع العديد من العمليات الصغيرة ، حتى من تعليمات مختلفة ، في عملية صغيرة واحدة تحقق كلاً من تحسين الأداء وتقليل الطاقة.

بنية وحدة المعالجة المركزية مع ذاكرة التخزين المؤقت الدقيقة

لتنفيذ التعليمات ، تقوم وحدة المعالجة المركزية الحديثة بفك تشفيرها. يتضمن ذلك تقسيم التعليمات إلى العمليات الدقيقة المكونة لها وتحديد مواقع الذاكرة التي يجب الرجوع إليها. تستخدم العديد من البرامج وظائف مماثلة بانتظام ويمكنها في كثير من الأحيان إعادة استخدام نفس الكود في حلقة أو من وظيفة تسمى. هذا يعني أنه يمكن استدعاء التعليمات الدقيقة مرارًا وتكرارًا. هذا يعني بعد ذلك أنه يتم استدعاء نفس العمليات الصغيرة مرارًا وتكرارًا. وإذا كانت هناك حاجة إلى نفس العمليات الدقيقة بشكل متكرر ، فيمكن تخزينها مؤقتًا. يمكن أن يقلل التخزين المؤقت للعمليات الصغيرة من الحمل على مفكك تشفير التعليمات ، مما يقلل من سحب الطاقة أو يساعد في ملء خط الأنابيب بشكل أسرع.

لا يلزم أن تظل ذاكرة التخزين المؤقت صغيرة ، ولكن عند إدارتها بعناية ، يمكن الوصول إليها بزمن انتقال واحد أو حتى بدون زمن انتقال. يمكن أن يكون هذا كافيًا لمنع الحاجة إلى أخذ وقت الاستجابة المكون من 4 دورات لذاكرة التخزين المؤقت L1 ولا يأتي بدون عقوبة فقدان ذاكرة التخزين المؤقت.

خاتمة

L0 cache هو اسم آخر لذاكرة التخزين المؤقت الصغيرة. يمكن أن يكون جزءًا من وحدات المعالجة المركزية الحديثة التي تستخدم العمليات الصغيرة. عادةً ما تحتوي على بضعة آلاف من الإدخالات ولديها سعات مُدرجة في عدد الإدخالات بدلاً من وحدات البايت. يمكن الوصول إلى L0 بشكل أسرع من L1 ، وعادة ما يكون ذلك بزمن انتقال من 1 إلى 0 دورة. يعمل التخزين المؤقت للعمليات الصغيرة على تقليل الحمل على وحدات فك ترميز التعليمات ، خاصة في التعليمات البرمجية التي تستفيد بشكل جيد من الحلقات أو الوظائف.