ما هي ذاكرة المسودة؟

يعد الوصول إلى البيانات جزءًا مهمًا من تصميم وحدة المعالجة المركزية. تعمل وحدات المعالجة المركزية بسرعات عالية للغاية ، وتعالج تعليمات متعددة في كل دورة ساعة وبالتالي تحتاج إلى الوصول إلى الكثير من البيانات. يتم تخزين الغالبية العظمى من تلك البيانات على وسائط التخزين. ومع ذلك ، فإن أجهزة التخزين بطيئة بشكل مستحيل مقارنة بوحدة المعالجة المركزية. تعد أجهزة التخزين أيضًا أفضل بشكل ملحوظ في القراءات المتسلسلة مقارنة بالقراءات العشوائية ، على الرغم من أن محركات الأقراص ذات الحالة الثابتة تقدم تحسنًا ملحوظًا في هذا الصدد (والعديد من محركات الأقراص الأخرى) على محركات الأقراص الثابتة.

تم تصميم ذاكرة الوصول العشوائي للنظام ليتم تحميلها بجميع البيانات التي قد تحتاجها وحدة المعالجة المركزية للبرنامج قيد التشغيل حاليًا. تتميز ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) بوقت استجابة أقل بكثير من التخزين ، كما أنها مصممة خصيصًا للحصول على أداء قراءة عشوائي عالي. ومع ذلك ، بقدر ما تكون ذاكرة الوصول العشوائي الحديثة سريعة ، فإنها لا تزال لا شيء مقارنة بوحدة المعالجة المركزية مع زمن انتقال يصل إلى 400 دورة على مدار الساعة.

لتقليل زمن الوصول بشكل أكبر ، تشتمل معظم وحدات المعالجة المركزية الحديثة على طبقات من ذاكرة التخزين المؤقت. عادةً ما يشار إليها باسم مخابئ L1 و L2 و L3. L1 هي سرعة عالية حقًا ، وعادة ما تستغرق 5 دورات على مدار الساعة للوصول إليها. L2 أبطأ قليلاً ، في حدود 20 دورة. لا يزال L3 أبطأ عند حوالي 200 دورة. في حين أن L1 سريع بشكل لا يصدق ، إلا أنه صغير أيضًا. يأتي جزء كبير من سرعته من حقيقة أن ذاكرات التخزين المؤقت الأصغر تستغرق وقتًا أقل للبحث. L2 أكبر من L1 ولكنه أصغر من L3 وهو أصغر من ذاكرة الوصول العشوائي للنظام. تعد موازنة حجم ذاكرات التخزين المؤقت جيدًا أمرًا بالغ الأهمية للحصول على وحدة معالجة مركزية عالية الأداء. تعتبر نسب عدد مرات الدخول إلى ذاكرة التخزين المؤقت مهمة ، ولكنك تحتاج إلى موازنة عدد الزيارات مع المدة التي تستغرقها للحصول على هذه النتيجة ، ومن ثم المستويات.

ذاكرة المسودة

لاحظ أن ذاكرة التخزين المؤقت لا تتناسب مع التسلسل الهرمي للذاكرة التقليدية. هذا لأنه لا يتم استخدامه في معظم وحدات المعالجة المركزية للمستهلكين. تم تصميم ذاكرة Scratchpad لتستخدم مثل لوحة الرسم في الحياة الواقعية. تقوم بتدوين المعلومات المؤقتة التي تحتاج إلى تذكرها ولكن لا تحتاج إلى حفظها بالفعل. في كثير من الأحيان تقوم وحدة المعالجة المركزية بمعالجة البيانات ثم تحتاج إلى النتيجة مرة أخرى على الفور. يمكنه نسخها إلى الذاكرة ، ولكن لتتمكن من الوصول إليها بسرعة ، يجب أيضًا الاحتفاظ بها في ذاكرة التخزين المؤقت.

تملأ ذاكرة المسودة نفس الفجوة الموجودة في ذاكرة التخزين المؤقت L1. يمكن الوصول إليه في أسرع وقت ممكن ، غالبًا في عدد دورات مكونة من رقم واحد. لإدارة هذا ، فهي أيضًا صغيرة نسبيًا. هناك اختلافان رئيسيان بين ذاكرة L1 وذاكرة التخزين المؤقت. أولاً ، يمكن معالجة ذاكرة التخزين المؤقت بشكل مباشر. ثانيًا ، يتم مشاركتها بين جميع النوى والمعالجات.

الاختلافات بين ذاكرة التخزين المؤقت و Scratchpad

تعد ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية شفافة بشكل أساسي لوحدة المعالجة المركزية ، ولا يمكنها وضع البيانات عمدًا هناك ولا يمكن برمجة محتوياتها. بدلاً من ذلك ، تطلب وحدة المعالجة المركزية البيانات فقط من ذاكرة الوصول العشوائي ويحدث استعادتها بشكل أسرع ، وأحيانًا أسرع بكثير مما قد تتوقعه. يعني السماح بأن تكون لوحة الرسم قابلة للعنونة أن الكود يمكنه تحديد البيانات التي يجب أن تكون في لوحة التسويد بالضبط. يمكن أن يكون هذا مفيدًا ، على الرغم من أن خوارزميات التخزين المؤقت الحديثة ممتازة حيث يُتوقع حدوث معدلات تصل إلى 95-97٪ في أحمال العمل القياسية.

يتم تأمين ذاكرة التخزين المؤقت L1 دائمًا بنواة معالجة فردية. لا يمكن لأي مركز معالجة آخر الوصول إليه. هذا يعني أنه إذا احتاجت نوى متعددة إلى نفس البيانات ، فيمكنهم تكرارها في ذاكرة التخزين المؤقت L1 الخاصة بهم. في بعض بنيات وحدة المعالجة المركزية ، يكون L2 لكل مركز ، وفي حالات أخرى يتم مشاركته بواسطة عدد صغير أو حتى جميع النوى. تميل L3 إلى أن تكون مشتركة بين جميع النوى. تتيح مشاركة ذاكرة التخزين المؤقت بين النوى مركزين أو أكثر للوصول إلى نفس البيانات دون تكرارها. كما أنه يسمح لنواة واحدة باستخدام أكثر من حصتها العادلة عندما تكون هناك حاجة إليها وذاكرة التخزين المؤقت بها مساحة.

تعمل المسودة بشكل مشابه لـ L1 من حيث السرعة والسعة ، ولكنها مشتركة بين جميع النوى. يتيح ذلك الوصول السريع جدًا إلى البيانات المحددة التي يتم التعامل معها في عبء العمل متعدد مؤشرات الترابط. يمكن مشاركة ذاكرة Scratchpad بين وحدات المعالجة المركزية المميزة على اللوحات الأم متعددة المقابس.

أحد عيوب ذاكرة التخزين المؤقت هو أنه قد يتم الاعتماد عليها بشكل كبير. لتتمكن من الوصول إليها مباشرة ، قد تعتمد البرامج على وجودها بكميات معينة. في هذه الحالة ، سيكون عندئذٍ غير قادر على العمل على وحدات المعالجة المركزية (CPU) بدون هذا القدر من ذاكرة التخزين المؤقت. لا تعاني طبقات ذاكرة التخزين المؤقت ببساطة من هذه المشكلة ولذا فهي مناسبة بشكل أفضل للاستخدام للأغراض العامة.

استخدم حالات

غالبًا ما توجد ذاكرة Scratchpad في أنظمة الخوادم متعددة المقابس المصممة لـ HPC (الحوسبة عالية الأداء). هناك ، تجعله توليفة من السرعة والوصول المشترك مفيدًا لأحمال العمل المتوازية للغاية.

ترى ذاكرة Scratchpad أيضًا استخدامها في معالجات أصغر بكثير. المعالجات المدمجة ، غالبًا MPSoCs. غالبًا ما يكون المعالج المضمن منخفض الطاقة نسبيًا ومتخصصًا في مهمة محددة. غالبًا ما يتم تمثيل هذا التخصص في تحسينات الأجهزة. في نظام متعدد المعالجات على شريحة خاصة ، قد توفر الذاكرة عالية السرعة المشتركة تحسينات كبيرة في زمن الانتقال للعديد من المعالجات المختلفة. غالبًا ما تكون هذه الأنواع من وحدات المعالجة المركزية ثابتة جدًا في التصميم. على سبيل المثال ، تشهد وحدات التحكم في الألعاب بالفعل الكثير من التحسينات لتصميم الأجهزة وبالتالي يمكنها الاستفادة بشكل جيد من هذه الميزات دون الحاجة إلى القلق بشأن التوافق مع الإصدارات السابقة أو إلى الأمام.

خاتمة

تشبه ذاكرة Scratchpad ذاكرة التخزين المؤقت L1 ولكن بها عدد من الاختلافات التي تغير حالات استخدامها. بدلاً من أن تكون ذاكرة تخزين مؤقت ، يمكن معالجتها مباشرة مما يسمح بتعيين البيانات على وجه التحديد لذاكرة عالية السرعة بشكل خاص. يتم مشاركتها أيضًا بين جميع نوى المعالج والمعالجات ، مما يجعلها مفيدة بشكل خاص في أحمال العمل متعددة مؤشرات الترابط.