CPU یک سیستم را باید به‌عنوان موتور خودروی مسابقه‌ای در نظر گرفت  که خستگی‌ناپذیر آن را به سمت مقصد پیش می‌برد. حافظه پنهان CPU یا همان حافظه کش در این میان، مانند سوخت با اکتان بالا است که  برای بالا نگه داشتن دور موتور لازم است  و عملکرد روان و کارآمد را تضمین می‌کند. در واقع حافظه کش یک نوع نگهبان دیجیتال است که همیشه آماده ارائه داده‌ها و انتقال دستورالعمل‌های مورد نیاز برای دسترسی سریع CPU است. حافظه کش که با نام حافظه نهان هم شناخته می‌شود، به صورت استراتژیک بین CPU و حافظه اصلی قرار دارد، یک جزء حیاتی در افزایش سرعت و پاسخگویی سیستم شماست.

کش CPU چیست؟

کش CPU، یک حافظه کوچک اما فوق العاده سریع است که مستقیماً در CPU ساخته شده. این حافظه کوچک و سریع، داده‌هایی را ذخیره می‌کند که احتمالاً CPU در آینده نزدیک به آنها نیاز دارد و بدون نیاز به بازیابی آن‌ها از حافظه اصلی سیستم، آن‌ها را به راحتی در اختیار CPU قرار می‌دهد. با این کار یعنی نگه داشتن اطلاعاتی که مداوم به آنها نیاز دارد، در  نزدیکی CPU، کش به طور قابل توجهی زمان دسترسی به اطلاعات را کاهش می‌دهد و در نتیجه عملکرد کلی را بهبود می‌بخشد.

کش CPU چگونه کار می‌کند؟

حافظه پنهان CPU بر اساس یک اصل ساده کار می‌کند: داده هایی را که اغلب مورد نیاز هستند را  نزدیک CPU  نگه می‌دارد. CPU هنگام نیاز به اطلاعات،  ابتدا حافظه پنهان داده‌ها یا همان کش را بررسی می‌کند. اگر آن را در آنجا پیدا کرد، نیازی به انجام فرآیند طولانی‌تر بررسی حافظه اصلی ندارد. اگر داده‌ها را پیدا نکند، آن‌ها را از حافظه اصلی بازیابی  و همچنین یک کپی را برای استفاده بعدی در حافظه کش ذخیره می‌کند.

سه سطح کش CPU

پردازنده‌های مدرن به سه سطح کش مجهز هستند: کش L1، L2 ،L3 ؛ هر سطح با ارائه ظرفیت‌ها، سرعت‌ها و نزدیکی متفاوت به CPU، نقش حیاتی در بهینه سازی عملکرد CPU ایفا می‌کند.

کش سطح L1

حافظه نهان سطح 1 یا حافظه نهان L1، اولین خط دفاعی در هنگام ذخیره سازی داده‌ها و دستورالعمل‌ها است که اغلب به آنها دسترسی دارند. این بخش به دو قسمت مجزا تقسیم می‌شود: کش دستورالعمل (L1i) و کش داده (L1d).

حافظه پنهان دستورالعمل (L1i) : این کش در ذخیره سازی اغلب دستورالعمل‌های اجرا شده CPU تخصص دارد. وجود این قسمت از کش تضمین می‌کند که دستورالعمل های مورد نیاز برای کارهای مختلف به راحتی در دسترس هستند، و زمان مورد نیاز CPU برای رسیدن دستورالعمل‌ها از حافظه اصلی را کاهش می‌دهد. کش L1i با بالاترین سرعت کار می‌کند و کمترین تاخیر را در بین سه سطح کش دارد. این قسمت طراحی و ساخته شده تا دستورالعمل‌ها را با حداقل تاخیر به CPU برساند و عملکرد کلی را بهینه کند.

حافظه پنهان داده (L1d): همانطور که از نام آن پیداست، این قسمت از کش L1 بر روی نگهداری داده‌هایی که اغلب به آنها نیاز دارند تمرکز دارد. این بخش به عنوان یک فضای ذخیره سازی موقت عمل می‌کند و CPU را قادر می‌سازد تا به سرعت داده‌ها را بدون اتکا به حافظه اصلی بازیابی و دستکاری کند. با ذخیره سازی داده‌های پرکاربرد در حافظه نهان L1d، CPU می‌تواند زمان دسترسی و پردازش اطلاعات را به حداقل برساند و در نتیجه عملکرد بهتری داشته باشد.

حافظه نهان L1 مستقیماً در CPU تعبیه شده است و تبادل بسیار سریع داده با هسته های پردازش را تضمین می‌کند. با این حال، به دلیل محدودیت های فیزیکی و ملاحظات هزینه، حافظه نهان L1 ظرفیت نسبتا کمی ‌در مقایسه با سایر سطوح کش دارد.

کش سطح L2

کش سطح 2 یا کش L2 لایه بعدی در سلسله مراتب  حافظه کش است. فضای ذخیره سازی بزرگتری را در مقایسه با حافظه نهان L1 داراست و امکان نگهداری داده‌ها و دستورالعمل‌های اضافی را فراهم می‌کند. کش L2 با تاخیر کمی ‌بیشتر از حافظه نهان L1 کار می‌کند اما همچنان زمان دسترسی بسیار سریع‌تری را در مقایسه با حافظه اصلی دارد. ظرفیت بزرگتر این بخش از حافظه کش، آن را قادر می‌سازد تا داده‌های بیشتری را در خود نگه دارد؛یعنی علاوه بر اطلاعاتی که به طور مکرر دردسترس هستند،  اطلاعاتی که کمتر در دسترس هستند را هم حفظ می‌کند.

کش L2 به عنوان یک حد وسط بین کش L1 فوق سریع و حافظه اصلی کندتر عمل می‌کند. وجود این قسمت از حافظه کش، به پر کردن شکاف کمک می‌کند و اطمینان می‌دهد که CPU دارای یک مخزن کافی از داده‌ها و دستورالعمل‌های پرکاربرد است که به راحتی در دسترس هستند.

کش سطح  L3

کش سطح 3 یا کش L3 در بالاترین سطح سلسله مراتب کش قرار دارد. معمولاً بین چندین هسته CPU در یک پردازنده چند هسته‌ای به اشتراک گذاشته می‌شود. برخلاف کش های L1 و L2 که برای هر هسته مجزا هستند، کش L3 یک منبع مشترک، برای همه هسته‌ها محسوب می‌شود. این ماهیت مشترک امکان اشتراک گذاری کارآمد داده‌ها و همگام سازی بین هسته‌ها را فراهم می‌کند و انسجام حافظه کش را ارتقا می‌دهد.

کش L3 ظرفیت بیشتری را در مقایسه با کش‌های L1 و L2 دارد و هدف آن این است که به عنوان یک مخزن برای داده‌ها و دستورالعمل‌هایی که بین هسته‌های مختلف به اشتراک گذاشته شده‌اند عمل کند. کش L3 با ارائه یک کش بزرگتر که بتواند نیازهای چندین هسته را برآورده کند، زمان صرف شده برای ارتباطات بین هسته ای را به حداقل می‌رساند و نیاز به دسترسی به حافظه اصلی را کاهش می‌دهد.

در حالی که حافظه کش L3 ممکن است، تاخیر بیشتری نسبت به کش‌های L1 و L2 ایجاد کند، توانایی آن در تسهیل اشتراک گذاری داده‌ها و کاهش اتکا به حافظه اصلی، آن را به بخشی جدایی ناپذیر برای بهبود عملکرد کلی سیستم، به ویژه در برنامه‌های سنگین تبدیل می‌کند.

کش چگونه بر عملکرد CPU تأثیر می‌گذارد؟

حافظه پنهان CPU نقش مهمی‌ در تأثیرگذاری بر عملکرد یک سیستم کامپیوتری دارد. روش‌های تاثیرگذاری کش بر CPU در ادامه توضیح داده شده است :

  • دسترسی سریعتر به داده‌ها

کش داده‌ها و دستورالعمل‌های پرکاربرد را ذخیره می‌کند و به CPU اجازه می‌دهد خیلی سریعتر از زمانی که برای بازیابی از حافظه اسلی لازم است، به آنها دسترسی پیدا کند. این کار منجر به بهبود سرعت پردازش و کاهش تاخیر و در نتیجه اجرای سریعتر برنامه‌ها وظایف می‌شود.

  • کاهش دسترسی به حافظه

با ذخیره سازی داده‌هایی که اغلب به آنها نیاز دارند، در فضایی نزدیکتر به CPU، یعنی همان کش نیاز به دسترسی‌های مکرر به حافظه کاهش پیدا می‌کند دسترسی به حافظه شامل بازآوری داده‌ها از حافظه اصلی است که در مقایسه با دسترسی به حافظه کش، فرآیند نسبتاً کندی است. با وجود کش، CPU می‌تواند داده‌ها را با سرعت بیشتری بازیابی کند و زمان صرف شده برای رسیدن اطلاعات از حافظه اصلی را به حداقل برساند.

  • بهبود بازآوری دستورالعمل‌ها

کش همچنین نقش مهمی ‌در  بازآوری دستورالعمل‌ها ایفا می‌کند. دستورالعمل‌ها در کش  ذخیره می‌شوند و به CPU اجازه می‌دهند تا به سرعت آنها را بازیابی و اجرا کند. با وجود حافظه کش ، CPU می‌تواند دستورالعمل‌ها را با کارآمدتر بازآوری کند که منجر به بهبود عملکرد کلی می‌شود. در پردازنده‌های چند هسته‌ای، انسجام کش تضمین می‌کند که همه هسته‌ها داده‌های ثابتی دارند. هنگامی‌که یک هسته داده‌ها را در حافظه کش خود تغییر می‌دهد، سایر هسته‌ها برای حفظ یکپارچگی داده‌ها باید از تغییرات آگاه باشند. حافظه نهان L3 که یک کش مشترک است، به هماهنگی داده‌ها بین هسته‌ها، کاهش نیاز به همگام سازی مکرر داده‌ها و بهبود عملکرد در برنامه‌های چند رشته‌ای کمک می‌کند.

  • تاثیر اندازه کش بر عملکرد

اندازه حافظه کش تأثیر مستقیمی ‌بر عملکرد دارد. حافظه پنهان بزرگتر اجازه می‌دهد تا داده‌های بیشتری ذخیره شود و شانس دسترسی مکرر به داده‌های موجود در حافظه کش را افزایش دهد. کش بزرگتر، باعث کاهش تعداد دفعات از دست رفتن حافظه پنهان و در نتیجه بهبود عملکرد می‌شود. با این حال، حافظه‌های پنهان بزرگ‌تر به دلیل زمان مورد نیاز برای جستجو در فضای ذخیره‌سازی بزرگ‌تر، تاخیر بیشتری نیز دارند.