12.1 Rechner-Architektur nach von Neumann

Weiterentwicklungen

Bus | Cache | DMA | Pipline

Cache

Einordnung des Cache in die Speicherhierarchie (memory hierarchie)

die Speicherhierarchie

Speicherarten:

• Register: innerhalb der CPU
• Cache:
  • kleiner, schneller Speicher in der Nähe der CPU
  • enthält aktuelle Daten und Befehle
  • data cache, instruction cache
• Speicher (RAM): Physischer Speicher der in Blöcke (pages, Seiten) eingeteilt wird, die verschiedenen Prozessen zugeordnet sind
• E/A-Geräte: Geräte zur Nutzung von externen Speicher (z.B. Diskette, Festplatte, CD-ROM, ...)

Lokalitätsprinzip:

• wird auf einen bestimmten Speicherbereich zugegriffen, so erfolgt der nächste Zugriff mit hoher Wahrscheinlichkeit auf den gleichen Speicherbereich
• d.h. zuletzt genutzte Daten sollten im schnellsten Speicher gehalten werden

Cachespeicher:

Cache ... Speicherzugriffsbeschleuniger, der die mittlere Zugriffszeit zum Hauptspeicher senkt

• CPU kann auf die Daten im Cache-RAM schneller zugreifen, als auf die Daten im normalen RAM
• Daten werden zuerst im Cache gesucht, dann im langsameren Hauptspeicher

zwei Arten:

• Level-1 Cache:
  • auch: L1, 1^st level, internal, primary
  • interner Prozessor-Cache
  • Datencache und Befehlscache getrennt

  z.B.:
  

  Prozessor	Datencache	Befehlscache	Zugriff
  Intel P4	8 kB	12000 µOps	CPU-Takt
  Intel PIII	16 kB	16 kB	CPU-Takt
  AMD Athlon	64 kB	64 kB	CPU-Takt

  Der P4 Befehlscache speichert nicht den Original-x86-Code, sondern fertig übersetzte Mikrooperationen (µOps). Wenn man bedenkt, dass beim P6 jede Mikrooperation 118 Bit benötigt, so belegen 12000 Mikrooperationen rund 177 kB Speicherplatz.

 

• Level-2 Cache:
  • auch: L2, 2^nd level, external, secondary
  • externer Cache auf dem Motherboard oder einer Extraplatine
  • SRAM (static RAM) kein Refresh der Speicherzellen notwendig!

  z.B.:
  

  Prozessor	Bus	Cache	Zugriff	Bandbreite
  Intel P4	256 Bit	256 kB	CPU-Takt	48 GB/s
  Intel PIII	256 Bit	256 kB	CPU-Takt	16 GB/s
  AMD Athlon	64 Bit	256 kB	CPU-Takt	9,6 GB/s