Что такое кэш память тест

Обновлено: 06.07.2024

Кэш-память играет важную роль. Без нее от высокой тактовой частоты процессора не было бы никакого проку. Кэш позволяет использовать в компьютере любую, даже самую "медленную" оперативную память, без ощутимого ущерба для его производительности.

О том, что такое кэш-память процессора, как она работает и какое влияние оказывает на быстродействие компьютера, читатель узнает из этой статьи.

Содержание статьи

Что такое кэш-память процессора

Решая любую задачу, процессор компьютера получает из оперативной памяти необходимые блоки информации. Обработав их, он записывает в память результаты вычислений и получает для обработки следующие блоки. Это продолжается, пока задача не будет выполнена.

Все упомянутые операции производятся на очень высокой скорости. Однако, даже самая быстрая оперативная память работает медленнее любого "неторопливого" процессора. Каждое считывание из нее информации и обратная ее запись отнимают много времени. В среднем, скорость работы оперативной памяти в 16 – 17 раз ниже скорости процессора.

Не смотря на такой дисбаланс, процессор не простаивает и не ожидает каждый раз, когда оперативная память "выдает" или "принимает" данные. Он почти всегда работает на максимальной скорости. И все благодаря наличию у него кэш-памяти.

Кэш-память процессора – это небольшая, но очень быстрая память. Она встроена в процессор и является своеобразным буфером, сглаживающим перебои в обмене данными с более медленной оперативной памятью. Кэш-память часто называют сверхоперативной памятью.

Кэш нужен не только для выравнивания дисбаланса скорости. Процессор обрабатывает данные более мелкими порциями, чем те, в которых они хранятся в оперативной памяти. Поэтому кэш-память играет еще и роль своеобразного места для "перепаковки" и временного хранения информации перед ее передачей процессору, а также возвращением результатов обработки в оперативную память.

Устройство кэш-памяти процессора

Система кэш-памяти процессора состоит из двух блоков - контроллера кэш-памяти и собственно самой кэш-памяти.

Контроллер кэш памяти

Контроллер кэш памяти – это устройство, управляющее содержанием кэша, получением необходимой информации из оперативной памяти, передачей ее процессору, а также возвращением в оперативную память результатов вычислений.

Когда ядро процессора обращается к контроллеру за какими-то данными, тот проверяет, есть ли эти данные в кэш-памяти. Если это так, ядру моментально отдается информация из кэша (происходит так называемое кэш-попадание).

В противном случае ядру приходится ожидать поступления данных из медленной оперативной памяти. Ситуация, когда в кэше не оказывается нужных данных, называется кэш-промахом.

Задача контроллера – сделать так, чтобы кэш-промахи происходили как можно реже, а в идеале – чтобы их не было вообще.

Размер кэша процессора по сравнению с размером оперативной памяти несоизмеримо мал. В нем может находиться лишь копия крошечной части данных, хранимых в оперативной памяти. Но, не смотря на это, контроллер допускает кэш-промахи не часто. Эффективность его работы определяется несколькими факторами:

• размером и структурой кэш-памяти (чем больше ресурсов имеет в своем распоряжении контроллер, тем ниже вероятность кэш-промаха);

• эффективностью алгоритмов, по которым контроллер определяет, какая именно информация понадобится процессору в следующий момент времени;

• сложностью и количеством задач, одновременно решаемых процессором. Чем сложнее задачи и чем их больше, тем чаще "ошибается" контроллер.

Кэш-память процессора

Кэш-память процессора изготавливают в виде микросхем статической памяти (англ. Static Random Access Memory, сокращенно - SRAM). По сравнению с другими типами памяти, статическая память обладает очень высокой скоростью работы.

Впервые кэш размером 8 KB был встроен в процессор Intel i486 в 1989 г.

Однако, эта скорость зависит также от объема конкретной микросхемы. Чем значительней объем микросхемы, тем сложнее обеспечить высокую скорость ее работы.

Учитывая указанную особенность, кэш-память процессора изготовляют в виде нескольких небольших блоков, называемых уровнями. В большинстве процессоров используется трехуровневая система кэша:

• Кэш-память первого уровня или L1 (от англ. Level - уровень) – очень маленькая, но самая быстрая и наиболее важная микросхема памяти. Ни в одном процессоре ее объем не превышает нескольких десятков килобайт. Работает она без каких-либо задержек. В ней содержатся данные, которые чаще всего используются процессором.

Количество микросхем памяти L1 в процессоре, как правило, равно количеству его ядер. Каждое ядро имеет доступ только к своей микросхеме L1.

• Кэш-память второго уровня (L2) немного медленнее кэш-памяти L1, но и объем ее более существенный (несколько сотен килобайт). Служит она для временного хранения важной информации, вероятность запроса которой ниже, чем у информации, находящейся в L1.

• Кэш-память третьего уровня (L3) – еще более объемная, но и более медленная схема памяти. Тем не менее, она значительно быстрее оперативной памяти. Ее размер может достигать нескольких десятков мегабайт. В отличие от L1 и L2, она является общей для всех ядер процессора.

Уровень L3 служит для временного хранения важных данных с относительно низкой вероятностью запроса, а также для обеспечения взаимодействия ядер процессора между собой.

Встречаются также процессоры с двухуровневой кэш-памятью. В них L2 совмещает в себе функции L2 и L3.

Влияние кэш-памяти процессора на быстродействие компьютера

При выполнении запроса на предоставление данных ядру, контроллер памяти ищет их сначала в кэше первого уровня, затем - в кэше второго и третьего уровней.

По статистике, кэш-память первого уровня любого современного процессора обеспечивает до 90 % кэш-попаданий. Второй и третий уровни - еще 90% от того, что осталось. И только около 1 % всех запросов процессора заканчиваются кэш-промахами.

Указанные показатели касаются простых задач. С повышением нагрузки на процессор число кэш-промахов увеличивается.

Эффективность кэш-памяти процессора сводит к минимуму влияние скорости оперативной памяти на быстродействие компьютера. Например, компьютер одинаково хорошо будет работать с оперативной памятью 1066 МГц и 2400 МГц. При прочих равных условиях разница производительности в большинстве приложений не превысит 5%.

Пытаясь оценить эффективность кэш-памяти, пользователи чаще всего ищут ответы на следующие вопросы:

Какая структура кэш-памяти лучше: двух- или трехуровневая?

Трехуровневая кэш-память более эффективна.

Чтобы определить, как сильно L3 влияет на работу процессора, сайтом Tom’s Hardware был проведен эксперимент. Заключался он в замере производительности процессоров Athlon II X4 и Phenom II X4. Оба процессора оснащены одинаковыми ядрами. Первый отличается от второго лишь отсутствием кэш-памяти L3 и более низкой тактовой частотой.

Приведя частоты обеих процессоров к одинаковому показателю, было установлено, что наличие кэш-памяти L3 повышает производительность процессора Phenom на 5,8 %. Но это средний показатель. В одних приложениях он был почти равен нулю (офисные программы), в других – достигал 8% и даже больше (компьютерные 3D игры, архиваторы и др.).

Как влияет размер кэша на производительность процессора?

Оценивая размер кэш-памяти, нужно учитывать характеристики процессора и круг решаемых им задач.

Кэш-память двуядерного процессора редко превышает 3 MB. Тем более, если его тактовая частота ниже 3 Ггц. Производители прекрасно понимают, что дальнейшее увеличение размера кэша такого процессора не принесет прироста производительности, зато существенно повысит его стоимость.

В процессорах Intel алгоритм наполнения кэш-памяти построен по так называемой инклюзивной схеме, когда содержимое кэшей верхнего уровня (L1, L2) полностью или частично дублируется в кэше нижнего уровня (L3). Это в определенной степени уменьшает полезный объем его пространства. С другой стороны, инклюзивная схема позитивно сказывается на взаимодействии ядер процессора между собой.

Объем внутренней кэш-памяти некоторых моделей серверных процессоров Intel Xeon
составляет 37,5 MB

В целом же, эксперименты свидетельствуют, что в среднестатистическом "домашнем" процессоре влияние размера кэша на производительность находится в пределах 10 %, и его вполне можно компенсировать, например, высокой частотой.

Эффект от большого кэша наиболее ощутим при использовании архиваторов, в 3D играх, во время кодирования видео. В "не тяжелых" же приложениях разница стремится к нулю (офисные программы, интернет-серфинг, работа с фотографиями, прослушивание музыки и др.).

Многоядерные процессоры с большим кэшем необходимы на компьютерах, предназначенных для выполнения многопоточных приложений, одновременного решения нескольких сложных задач.

Особенно актуально это для серверов с высокой посещаемостью. В некоторых высоконагружаемых серверах и суперкомпьютерах предусмотрена даже установка кэш-памяти четвертого уровня (L4). Изготавливается она в виде отдельных микросхем, подключаемых к материнской плате.

Как узнать размер кэш-памяти процессора?

Существуют специальные программы, предоставляющие подробную информацию о процессоре компьютера, в том числе и о его кэш-памяти. Одной из них является программа CPU-Z.

Программа не требует установки. После ее запуска нужно перейти на вкладку "Caches" (см. изображение).

На примере видно, что проверяемый процессор оснащен трехуровневой кэш-памятью. Размер кэша L3 у него составляет 3 MB, L2 – 512 KB (256x2), L1 – 128 KB (32x2+32x2).

Можно ли как-то увеличить кэш-память процессора?

Как уже было сказано в одном из предыдущих пунктов, возможность увеличения кэш-памяти процессора предусмотрена в некоторых серверах и суперкомпьютерах, путем ее подключения к материнской плате.

В домашних же или офисных компьютерах такая возможность отсутствует. Кэш-память является внутренней неотъемлемой частью процессора, имеет очень маленькие физические размеры и не подлежит замене. А на обычных материнских платах нет разъемов для подключения дополнительной кэш-памяти.

Для многих пользователей основополагающими критериями выбора процессора являются его тактовая частота и количество вычислительных ядер. А вот параметры кэш-памяти многие просматривают поверхностно, а то и вовсе не уделяют им должного внимания. А зря!

В данном материале поговорим об устройстве и назначении сверхбыстрой памяти процессора, а также ее влиянии на общую скорость работы персонального компьютера.

Предпосылки создания кэш-памяти

Любому пользователю, мало-мальски знакомому с компьютером, известно, что в составе ПК работает сразу несколько типов памяти. Это медленная постоянная память (классические жесткие диски или более быстрые SSD-накопители), быстрая оперативная память и сверхбыстрая кэш-память самого процессора. Оперативная память энергозависимая, поэтому каждый раз, когда вы выключаете или перезагружаете компьютер, все хранящиеся в ней данные очищаются, в отличие от постоянной памяти, в которой данные сохраняются до тех пор, пока это нужно пользователю. Именно в постоянную память записаны все программы и файлы, необходимые как для работы компьютера, так и для комфортной работы за ним.

Каждый раз при запуске программы из постоянной памяти, ее наиболее часто используемые данные или вся программа целиком «подгружаются» в оперативную память. Это делается для ускорения обработки данных процессором. Считывать и обрабатывать данные из оперативной памяти процессор будет значительно быстрей, а, следовательно, и система будет работать значительно быстрее в сравнении с тем, если бы массивы данных поступали напрямую из не очень быстрых (по меркам процессорных вычислений) накопителей.

Если бы не было «оперативки», то процесс считывания напрямую с накопителя занимал бы непозволительно огромное, по меркам вычислительной мощности процессора, время.

Но вот незадача, какой бы быстрой ни была оперативная память, процессор всегда работает быстрее. Процессор — это настолько сверхмощный «калькулятор», что произвести самые сложные вычисления для него — это даже не доля секунды, а миллионные доли секунды.

Производительность процессора в любом компьютере всегда ограничена скоростью считывания из оперативной памяти.

Процессоры развиваются так же быстро, как память, поэтому несоответствие в их производительности и скорости сохраняется. Производство полупроводниковых изделий постоянно совершенствуется, поэтому на пластину процессора, которая сохраняет те же размеры, что и 10 лет назад, теперь можно поместить намного больше транзисторов. Как следствие, вычислительная мощность за это время увеличилась. Впрочем, не все производители используют новые технологии для увеличения именно вычислительной мощности. К примеру, производители оперативной памяти ставят во главу угла увеличение ее емкости: ведь потребитель намного больше ценит объем, нежели ее быстродействие. Когда на компьютере запущена программа и процессор обращается к ОЗУ, то с момента запроса до получения данных из оперативной памяти проходит несколько циклов процессора. А это неправильно — вычислительная мощность процессора простаивает, и относительно медленная «оперативка» тормозит его работу.

Такое положение дел, конечно же, мало кого устраивает. Одним из вариантов решения проблемы могло бы стать размещение блока сверхбыстрой памяти непосредственно на теле кристалла процессора и, как следствие, его слаженная работа с вычислительным ядром. Но проблема, мешающая реализации этой идеи, кроется не в уровне технологий, а в экономической плоскости. Такой подход увеличит размеры готового процессора и существенно повысит его итоговую стоимость.

Объяснить простому пользователю, голосующему своими кровными сбережениями, что такой процессор самый быстрый и самый лучший, но за него придется отдать значительно больше денег — довольно проблематично. К тому же существует множество стандартов, направленных на унификацию оборудования, которым следуют производители «железа». В общем, поместить оперативную память прямо на кристалл процессора не представляется возможным по ряду объективных причин.

Как работает кэш-память

Как стало понятно из постановки задачи, данные должны поступать в процессор достаточно быстро. По меркам человека — это миг, но для вычислительного ядра — достаточно большой промежуток времени, и его нужно как можно эффективнее минимизировать. Вот здесь на выручку и приходит технология, которая называется кэш-памятью. Кэш-память — это сверхбыстрая память, которую располагают прямо на кристалле процессора. Извлечение данных из этой памяти не занимает столько времени, сколько бы потребовалось для извлечения того же объема из оперативной памяти, следовательно, процессор молниеносно получает все необходимые данные и может тут же их обрабатывать.

Кэш-память — это, по сути, та же оперативная память, только более быстрая и дорогая. Она имеет небольшой объем и является одним из компонентов современного процессора.

На этом преимущества технологии кэширования не заканчиваются. Помимо своего основного параметра — скорости доступа к ячейкам кэш-памяти, т. е. своей аппаратной составляющей, кэш-память имеет еще и множество других крутых функций. Таких, к примеру, как предугадывание, какие именно данные и команды понадобятся пользователю в дальнейшей работе и заблаговременная загрузка их в свои ячейки. Но не стоит путать это со спекулятивным исполнением, в котором часть команд выполняется рандомно, дабы исключить простаивание вычислительных мощностей процессора.

Спекулятивное исполнение — метод оптимизации работы процессора, когда последний выполняет команды, которые могут и не понадобиться в дальнейшем. Использование метода в современных процессорах довольно существенно повышает их производительность.

Речь идет именно об анализе потока данных и предугадывании команд, которые могут понадобиться в скором будущем (попадании в кэш). Это так называемый идеальный кэш, способный предсказать ближайшие команды и заблаговременно выгрузить их из ОЗУ в ячейки сверхбыстрой памяти. В идеале их надо выбирать таким образом, чтобы конечный результат имел нулевой процент «промахов».

Но как процессор это делает? Процессор что, следит за пользователем? В некоторой степени да. Он выгружает данные из оперативной памяти в кэш-память для того, чтобы иметь к ним мгновенный доступ, и делает это на основе предыдущих данных, которые ранее были помещены в кэш в этом сеансе работы. Существует несколько способов, увеличивающих число «попаданий» (угадываний), а точнее, уменьшающих число «промахов». Это временная и пространственная локальность — два главных принципа кэш-памяти, благодаря которым процессор выбирает, какие данные нужно поместить из оперативной памяти в кэш.

Временная локальность

Процессор смотрит, какие данные недавно содержались в его кэше, и снова помещает их в кэш. Все просто: высока вероятность того, что выполняя какие-либо задачи, пользователь, скорее всего, повторит эти же действия. Процессор подгружает в ячейки сверхбыстрой памяти наиболее часто выполняемые задачи и сопутствующие команды, чтобы иметь к ним прямой доступ и мгновенно обрабатывать запросы.

Пространственная локальность

Принцип пространственной локальности несколько сложней. Когда пользователь выполняет какие-то действия, процессор помещает в кэш не только данные, которые находятся по одному адресу, но еще и данные, которые находятся в соседних адресах. Логика проста — если пользователь работает с какой-то программой, то ему, возможно, понадобятся не только те команды, которые уже использовались, но и сопутствующие «слова», которые располагаются рядом.

Набор таких адресов называется строкой (блоком) кэша, а количество считанных данных — длиной кэша.

При пространственной локации процессор сначала ищет данные, загруженные в кэш, и, если их там не находит, то обращается к оперативной памяти.

Иерархия кэш-памяти

Любой современный процессор имеет в своей структуре несколько уровней кэш-памяти. В спецификации процессора они обозначаются как L1, L2, L3 и т. д.

Если провести аналогию между устройством кэш-памяти процессора и рабочим местом, скажем столяра или представителя любой другой профессии, то можно увидеть интересную закономерность. Наиболее востребованный в работе инструмент находится под рукой, а тот, что используется реже, расположен дальше от рабочей зоны.

Так же организована и работа быстрых ячеек кэша. Ячейки памяти первого уровня (L1) располагаются на кристалле в непосредственной близости от вычислительного ядра. Эта память — самая быстрая, но и самая малая по объему. В нее помещаются наиболее востребованные данные и команды. Для передачи данных оттуда потребуется всего около 5 тактовых циклов. Как правило, кэш-память первого уровня состоит из двух блоков, каждый из которых имеет размер 32 КБ. Один из них — кэш данных первого уровня, второй — кэш инструкций первого уровня. Они отвечают за работу с блоками данных и молниеносное обращение к командам.

Кэш второго и третьего уровня больше по объему, но за счет того, что L2 и L3 удалены от вычислительного ядра, при обращении к ним будут более длительные временные интервалы. Более наглядно устройство кэш-памяти проиллюстрировано в следующем видео.

Кэш L2, который также содержит команды и данные, занимает уже до 512 КБ, чтобы обеспечить необходимый объем данных кэшу нижнего уровня. Но на обработку запросов уходит в два раза больше времени. Кэш третьего уровня имеет размеры уже от 2 до 32 МБ (и постоянно увеличивается вслед за развитием технологий), но и его скорость заметно ниже. Она превышает 30 тактовых циклов.

Процессор запрашивает команды и данные, обрабатывая их, что называется, параллельными курсами. За счет этого и достигается потрясающая скорость работы. В качестве примера рассмотрим процессоры Intel. Принцип работы таков: в кэше хранятся данные и их адрес (тэг кэша). Сначала процессор ищет их в L1. Если информация не найдена (возник промах кэша), то в L1 будет создан новый тэг, а поиск данных продолжится на других уровнях. Для того, чтобы освободить место под новый тэг, информация, не используемая в данный момент, переносится на уровень L2. В результате данные постоянно перемещаются с одного уровня на другой.

Также при хранении одних и тех же данных могут задействоваться различные уровни кэша, например, L1 и L3. Это так называемые инклюзивные кэши. Использование лишнего объема памяти окупается скоростью поиска. Если процессор не нашел данные на нижнем уровне, ему не придется искать их на верхних уровнях кэша. В этом случае задействованы кэши-жертвы. Это полностью ассоциативный кэш, который используется для хранения блоков, вытесненных из кэша при замене. Он предназначен для уменьшения количества промахов. Например, кэши-жертвы L3 будут хранить информацию из L2. В то же время данные, которые хранятся в L2, остаются только там, что помогает сэкономить место в памяти, однако усложняет поиск данных: системе приходится искать необходимый тэг в L3, который заметно больше по размеру.

В некоторых политиках записи информация хранится в кэше и основной системной памяти. Современные процессоры работают следующим образом: когда данные пишутся в кэш, происходит задержка перед тем, как эта информация будет записана в системную память. Во время задержки данные остаются в кэше, после чего их «вытесняет» в ОЗУ.

Итак, кэш-память процессора — очень важный параметр современного процессора. От количества уровней кэша и объема ячеек сверхбыстрой памяти на каждом из уровней, во многом зависит скорость и производительность системы. Особенно хорошо это ощущается в компьютерах, ориентированных на гейминг или сложные вычисления.

Инструкции

Тест оперативной памяти в AIDA64 позволяет узнать об ее параметрах и возможностях. Это помогает выявить проблемы, а также узнать, какой модуль подойдет для определенной материнской платы при замене. Рассмотрим, какие эксплуатационные характеристики у оперативной памяти есть и как их протестировать.

Параметры оперативной памяти

Перед тем, как проверить оперативную память через AIDA64, следует знать следующее о ней:

Тип. На компьютерах используется память DDR3 или DDR4. На ноутбуках и нетбуках – преимущественно модули с маркировкой SO-DIMM. Тип ОЗУ определяет скорость передачи данных. Чем выше поколение, тем она быстрее.
Объем. На сегодняшний день выпускаются планки с памятью от 2 Гб. Чем показатель выше, тем лучше работоспособность системы в целом. Для офисных ПК достаточно 4-6 Гб, для игровых – от 16 Гб.
Частота. От нее зависит пропускная способность модуля. При большем показателе больше данных способно передаваться в течение секунды.
Тайминг. Показатель указывает на время задержки, в течение которого происходит переход по элементам ОЗУ. Чем он меньше, тем лучше.
Напряжение. Устанавливаемые плашки ОЗУ в нетбуки или ноутбуки с маркировкой SO-DIMM потребляет меньше энергии.

Зная все эксплуатационные характеристики оперативной памяти, можно без труда заменить модуль . Не придется платить за ремонт или диагностику в сервисном центре. Достаточно сходить в специализированный магазин и купить ОЗУ. Также об этом полезно знать, чтобы понимать особенности и производительность системы для определенной работы. Например, для запуска требовательной программы или игры. Протестировать оперативную память можно с помощью утилиты – AIDA64.

Как узнать параметры оперативной памяти через средства AIDA64

С помощью AIDA64 возможно узнать о характеристиках оперативной памяти. Чтобы их проверить, следуйте инструкции:

После этого проще подобрать новую плашку так, чтобы она была совместима с материнской платой и другими компонентами ПК или ноутбука.

Чтобы узнать максимальный размер объема оперативной памяти, который будет поддерживаться материнской платой, в списке «Системная плата» выберите пункт «Чипсет». В свойствах северного моста отображается это значение.

Увидеть объем установленного ОЗУ также можно в свойствах операционной системы. Для этого достаточно щелкнуть правой кнопкой мыши по иконке «Мой компьютер» на рабочем столе и перейти в пункт «Свойства».

Но здесь слишком мало информации об оперативной памяти, поэтому лучше воспользоваться AIDA64.

Тестирование оперативной памяти

Тестирование оперативной памяти необходимо, если возникают сбои в ее работе или есть подозрение, что существуют неполадки с кешем.

Чтобы проверить это, действуйте следующим образом:

Проверка может занять продолжительное время, в зависимости от ее объема и типа. Она осуществляется по нескольким параметрам: скорость записи, чтения, копирования и задержки. Если результат проверки не сообщат о наличии ошибок, то оперативная память работает нормально.

Стресс-тест в AIDA64

Чтобы проверить стабильность работы ПК, необходимо протестировать все его комплектующие на работоспособность. Встроенные средства AIDA64 также позволяют сделать это. Обычно функцию применяют после разгона процессора или видеокарты, поэтому обычным пользователям она не требуется. Но в некоторых случаях, нужно протестировать оборудование. Например, чтобы выявить проблему в работе материнской платы и ее компонентов.

Чтобы запустить стресс-тест в АИДА64, сделайте следующее:

После этого запустится стресс-тест производительности. Если во время проверки, приложение выдаст ошибку о том, что есть перегрев устройства, необходимо отключить ПК или ноутбук до выяснения обстоятельств и причин перегрева.

Рекомендуем! InstallPack	Стандартный установщик
Официальный дистрибутив Aida64
Тихая установка без диалоговых окон
Рекомендации по установке необходимых программ
Пакетная установка нескольких программ

рекомендует InstallPack, с его помощью вы сможете быстро установить программы на компьютер, подробнее на сайте.

Функционал AIDA64 позволяет узнать необходимую информацию об устройствах и компонентах ПК или ноутбука, что нельзя сделать через саму систему. С ее помощью можно посмотреть, какая оперативная память установлена, ее тип, тайминг, объем и другие характеристики. При сбое в работе памяти или кеша пользователь может запустить проверку ОЗУ или производительности всей системы, чтобы выявить проблему и в дальнейшем решить ее с минимальными затратами.

За счет чего же мы наблюдаем постоянный рост производительности однопоточных программ? В данный момент мы находимся на той ступени развития микропроцессорных технологий, когда прирост скорости работы однопоточных приложений зависит только от памяти. Количество ядер растет, но частота зафиксировалась в пределах 4 ГГц и не дает прироста производительности.

Скорость и частота работы памяти — это то основное за счет чего мы получаем «свой кусок бесплатного торта» (ссылка). Именно поэтому важно использовать память, настолько эффективно, насколько мы можем это делать, а тем более такую быструю как кэш. Для оптимизации программы под конкретный компьютер, полезно знать характеристики кэш-памяти процессора: количество уровней, размер, длину строки. Особенно это важно в высокопроизводительном коде — ядра систем, математические библиотеки.

Как же определить характеристики кэша автоматический? (естественно cpuinfo распарсить не считается, хотя-бы потому-что в конечном итоге мы бы хотели получить алгоритм, который можно без труда реализовать в других ОС. Удобно, не правда ли? ) Именно этим мы сейчас и займемся.

Немного теории

В данный момент существуют и широко используются три разновидности кэш-памяти: кэш с прямым отображением, ассоциативный кэш и множественно-ассоциативный кэш.

Кэш с прямым отображением (direct mapping cache)

— данная строка ОЗУ может быть отображена в единственную строку кэша, но в каждую строку кэша может быть отображено много возможных строк ОЗУ.

Ассоциативный кэш (fully associative cache)

— любая строка ОЗУ может быть отображена в любую строку кэша.

Множественно-ассоциативный кэш

— кэш-память делится на несколько «банков», каждый из которых функционирует как кэш с прямым отображением, таким образом строка ОЗУ может быть отображена не в единственную возможную запись кэша (как было бы в случае прямого отображения), а в один из нескольких банков; выбор банка осуществляется на основе LRU или иного механизма для каждой размещаемой в кэше строки.

LRU — вытеснение самой «долго не использованной» строки, кэш памяти.

Чтобы определить количество уровней кэша нужно рассмотреть порядок обращений к памяти, на котором будет четко виден переход. Разные уровни кэша отличаются прежде всего скоростью отклика памяти. В случае «кэш-промаха» для кэша L1 будет произведен поиск данных в следующих уровнях памяти, при этом если размер данных больше L1 и меньше L2 — то скоростью отклика памяти будет скорость отклика L2. Предыдущее утверждение так же верно в общем случаи.

Ясно что нужно подобрать тест на котором, мы будем четко видеть кэш промахи и протестировать его на различных размерах данных.

Зная логику множественно-ассоциативных кэшей, работающих по алгоритму LRU не трудно придумать алгоритм на котором кэш «валится», ничего хитрого — проход по строке. Критерием эффективности будем считать время одного обращения к памяти. Естественно нужно последовательно обращаться ко всем элементам строки, повторяя многократно для усреднения результата. К примеру возможны случаи, когда строка умещается в кэше но для первого прохода мы грузим строку из оперативной памяти и потому получаем совсем неадекватное время.

Хочется увидеть что-то подобное ступенькам, проходя по строкам разной длины. Для определения характера ступенек рассмотрим пример прохода по строке для прямого и ассоциативного кэша, случай с множественно-ассоциативным кэшем будет среднем между кэшем с прямым отображением и ассоциативным кэшем.

Как только размер данных превышает размер кэш-памяти,
полностью ассоциативный кэш «промахивается» при каждом обращении к памяти.

Рассмотрим разные размеры строк. — показывает максимальное количество промахов, которое потратит процессор для доступа к элементам массива при следующем проходе по строке.

Как видно время доступа к памяти возрастает не резко, а по мере увеличения объема данных. Как только размер данных превысит размер кэша, то промахи будут при каждом обращении к памяти.

Потому у ассоциативного кэша ступенька будет вертикальной, а у прямого — плавно возрастать вплоть до двойного размера кэша. Множественно ассоциативный кэш будет средним случаем, «бугорком», хотя бы потому, что время-доступа не может быть лучше прямого.

Если-же говорить о памяти — то самая быстрая это кэш, следом идет оперативная, самая медленная это swap, про него мы в дальнейшем говорить не будем. В свою очередь у разных уровней кэша (как правило сегодня процессоры имеют 2-3 уровня кэша) разная скорость отклика памяти: чем больше уровень, тем меньше скорость отклика. И поэтому, если строка помещается в первый уровень кэша, (который кстати полностью ассоциативный) время отклика будет меньше, чем у строки значительно превышающей размеры кэша первого уровня. По-этому на графике времени отклика памяти от размеров строки будет несколько плато — плато* отклика памяти, и плато вызванные различными уровнями кэша.

Приступим к реализации

Для реализации будем использовать Си (ANSI C99).

Быстро написан код, обычный проход по строкам разной длины, меньше 10мб, выполняющийся многократно. (Будем приводить небольшие куски программы, несущие смысловую нагрузку).

Очевидно что это может происходить по двум причинам: либо в процессоре нет кэш памяти, либо процессор так хорошо угадывает обращения к памяти. Поскольку первый вариант ближе к фантастике причина всему хорошее предсказание обращений.

Дело в том, что сегодня далеко не топовые процессоры, помимо принципа пространственной локальности, предсказывают также и арифметическую прогрессию в порядке обращения к памяти. Поэтому нужно рандомизовать обращения к памяти.

Длина рандомизованного массива должна быть сопоставимой с длиной основной строки, чтобы избавиться от большой гранулярности обращений, так же длина массива не должна быть степенью двойки, из-за этого происходили «наложения» — следствием чего могут — быть выбросы. Лучше всего задать гранулярность константно, в том числе, если гранулярность простое число, то можно избежать эффектов наложений. А длина рандомиованого массива — функция от длинны строки.

После чего мы удивили столь долгожданную «картинку», о которой говорили в начале.

Программа разбита на 2 части — тест и обработка данных. Написать скрипт в 3 строки для запуска или 2 раза запустить ручками решайте сами.

Листинг файла size.с Linux

Листинг файла size.с Windows

В общем- то думаю все понятно, но хотелось бы оговорить несколько моментов.

Массив A объявлен как volatile — эта директива гарантирует нам что к массиву A всегда будут обращения, то-есть их не «вырежут» ни оптимизатор, ни компилятор. Так-же стоит оговорить то что вся вычислительная нагрузка выполняется до замера времени, что позволяет нам, уменьшить фоновое влияние.

Файл переведен в ассемблер на Ubuntu 12.04 и компилятором gcc 4.6 — циклы сохраняются.

Обработка данных

Для обработки данных логично использовать производные. И несмотря на то что с повышением порядка дифференцирования шумы возрастают, будет использована вторая производная и её свойства. Как бы не была зашумлена вторая производная, нас интересует лишь знак второй производной.

Находим все точки, в которых вторая производная больше нуля (с некоторой погрешностью потому-что вторая производная, помимо того что считается численно, — сильно зашумлена ). Задаем функцию зависимости знака второй производной функции от размера кэша. Функция принимает значение 1 в точках, где знак второй производной больше нуля, и ноль, если знак второй производной меньше или равен нулю.

Точки «взлетов» — начало каждой ступеньки. Также перед обработкой данных нужно убрать одиночные выбросы, которые не меняют смысловой нагрузки данных, но создают ощутимый шум.

Листинг файла data_pr.с

Тесты

CPU/ОС/версия ядра/компилятор/ключи компиляции — будут указаны для каждого теста.

Давайте поговорим о «граблях»

Грабля обнаружилась при обработке данных на серверном процессоре Intel Xeon 2.4/L2 = 512 кб/Windows Server 2008

Проблема заключается в маленьком количестве точек, попадающих на интервал выхода на плато, — соответственно, скачок второй производной незаметен и принимается за шум.

Можно решить эту проблему методом наименьших квадратов, либо прогонять тесты в по ходу определения зон плато.

В одной из наших прошлых статей мы коснулись такого аспекта работы RAM как аппаратно зарезервированная память, объём которой можно посмотреть в Диспетчере задач, переключившись на вкладку «Производительность» и выбрав слева блок «Память». Так вот, помимо этой самой зарезервированной памяти там имеются и другие данные о работе ОЗУ, которые могут вызвать у пользователя вопросы. Например, что такое кэшированная память в Диспетчере задач, почему она иногда занимает так много места, можно и нужно ли предпринимать какие-либо меры с целью её уменьшения?

↑ Кэшированная оперативная память

Такие разные кэши

Перед тем как приступать к разбору обозначенного вопроса, следует сказать о том, что кэши бывают разные. Есть всем известный браузерный кэш — каталог файловой системы, в котором веб-обозреватели хранят временные данные; не менее известным типом кэша является располагающийся на физическом жёстком диске файл подкачки, в который система сбрасывает непомещающиеся в оперативную память данные; существуют и так называемые промежуточные кэши, например, служащая буфером между ОЗУ и центральным процессором кэш-память, реализованная в виде высокоскоростной микросхемы SRAM. Рассмотрим принцип её работы чуть более подробно.

Что такое кэш процессора, и как он работает

Когда ЦП обращается к оперативной памяти, чтобы считать или записать в неё данные, он сначала идентифицирует ячейку, с которой собирается работать. Для этого он формирует и отправляет в память запрос, RAM же его обрабатывает и открывает доступ процессору к хранящимся в соответствующей ячейке данным. Эта процедура занимает некоторое время, а поскольку процессор гораздо шустрее оперативной памяти, он вынужден ждать ответа от ОЗУ. Чтобы ускорить получение процессором данных из оперативной памяти, была придумана так называемая быстрая оперативная память, или иначе кэш-память.

Таким образом, кэшированная память сокращает время отклика и повышает общую производительность компьютера. Соответственно, чем больше у вас на компьютере такой памяти, тем быстрее он должен работать. Тут, наверное, у многих из наших читателей возникнет такой вопрос: если быстрая память так хороша, почему ею не заменяют обычную оперативную память? Ответ прост — всё дело в цене, кэш-память намного дороже обычной памяти, поэтому она используется в ограниченных объёмах.

↑ Что такое кэшированная память в Диспетчере задач

Однако мы увлеклись, вернёмся к нашему вопросу, вернее к той кэшированной памяти, которую может обнаружить у себя в Диспетчере задач каждый пользователь.

Кстати, сведения об этой памяти указаны также в оснастке «Монитор ресурсов», в котором она обозначена секцией синего цвета «Ожидание». По сути, кэшированная память представляет собой часть свободной оперативной памяти, выделенной под неиспользуемые данные наиболее приоритетных процессов.
В то же время кэшированная память не привязана жёстко к данным процессам, поэтому её страницы могут быть использованы для записи других, менее приоритетных процессов. Убедиться в этом вы можете сами, открыв пару десятков вкладок в браузере. Вы увидите, что объем доступной кэшированной памяти сразу станет меньше, а всё потому, что зарезервированные страницы были переданы браузеру для записи в них данных вкладок. Из этого следует, что беспокоиться вам нужно не о увеличении размера кэшированной памяти, а скорее наоборот — об уменьшении доступного объёма кэша при отсутствии свободной памяти, выделенной в Мониторе ресурсов голубым цветом.

Нужно ли очищать кэшированную память

Особой нужды в очистке кэшированной памяти нет, более того, постоянная принудительная её очистка может привести к неравномерной нагрузке процессора, более частому обращению к файлу подкачки и общему снижению производительности. Исключения составляют те случаи, когда вы точно установили связь между увеличением объёма кэшированной памяти с падением производительности, что иногда бывает в играх. Тогда на собственный страх и риск вы можете включить очистку кэша оперативной памяти.

Очистка кэшированной памяти в RAMMap и EmptyStandbyList

Самый простой способ обнулить кэш оперативную память — это воспользоваться бесплатной тулзой RAMMap, разработанной одним из сотрудников Microsoft Марком Руссиновичем. Утилита не требует установки, чтобы очистить в ней память, выберите в главном меню Empty → Empty Standby List. Объем кэшированной памяти тут же уменьшится в несколько раз, но уже через несколько минут система опять её зарезервирует.
Также вы можете воспользоваться такой утилитой как EmptyStandbyList, работающей по тому же принципу что и функция Empty Standby List в утилите RAMMap. В отличие от RAMMap, тулза EmptyStandbyList не имеет графического интерфейса, чтобы очистить с её помощью кэшированную память, достаточно просто запустить исполняемый файл. Естественно, через некоторое время кэш снова будет заполнен, если вы хотите это предотвратить, в Планировщике заданий вам нужно создать задачу, которая станет запускать исполняемый файл EmptyStandbyList.exe каждые 2, 3, 5, 10 или сколько вам нужно минут.

Откройте Планировщик командой taskschd.msc, справа нажмите «Создать» задачу
и выставьте настройки как показано на скриншоте. Обратите внимание, что в качестве пользователя мы указываем Систему, тогда как по умолчанию задание будет выполняться от имени учётной записи администратора. В условиях запуска (триггеры) указываем интервал между запусками задачи, на вкладке «Действия» указываем путь к исполняемому файлу утилиты. Сохраняем задание и проверяем его работу.

Использовать этот трюк или нет, решать вам. Если вы наблюдаете чрезмерное заполнение RAM-кэша, сопровождающееся снижением производительности в играх или при работе с «тяжёлыми» приложениями, пробуйте, в остальных случаях особого смысла в очистке кэша памяти мы не видим.

Читайте также: