На многих сайтах компьютерной тематики обязательно найдутся ссылки на программы, которые обещают в один клик улучшить работу нашего компьютера и превратить старенький медленный компьютер в скоростной «космолет». о том, что подобные «однокликовые» оптимизаторы как минимум бесполезны, и что к вопросу оптимизации необходимо подходить совершенно иначе — более продуманно и уж никак не с инструментом вида «в один клик». Также встречаются и оптимизаторы оперативной памяти, которые в линейке бесполезных утилит стоят особо высоко, потому что они не только не приносят никакой пользы, но и снижают скорость работы вашего компьютера. И сейчас я объясню почему.

На чем основана популярность оптимизаторов памяти?

Популярность оптимизаторов памяти основывается на нашем убеждении, что малый объем свободной памяти — это очень плохо. Хотя на самом деле никакой трагедии в этом нет, потому что это хорошо! Это может показаться странным, но это так.

Что такое «свободная память»?

Действительно, свободной памяти всегда мало… Однако понятия немного изменились за последние пять-семь лет. Теперь свободная память большого объема означает не большую эффективность работы системы, а наоборот меньшую. Дело в том, что современные операционные системы оставляют свободным лишь тот объем памяти, который может экстренно потребоваться какому-то вновь стартовавшему приложению или работающей программе в процессе ее деятельности. Всю остальную зарезервированную память система расходует на запущенные программы и службы.

Что такое кэш?

Кэш — это данные, которые использовались системой или программами, и которые были зарезервированы в оперативной памяти на тот случай, если они еще понадобятся. Данные резервируются именно в памяти потому, что скорость чтения из оперативной памяти в разы выше, чем скорость чтения с жесткого диска. В случае необходимости система снова использует эти данные и без задержек выведет результат пользователю на экране. Если бы эти данные каждый раз резервировались на жестком диске, то скорость их загрузки была бы значительно ниже, что сильно бы замедляло скорость работы системы в целом и создавало повышенную нагрузку на жестких диск.

В качестве аналогии можно привести пример с кэшем браузера, который хранится на жестком диске компьютера (графика, стили, скрипты, флэш-анимация и прочее). Загружать все эти данные из интернета для каждой отделной страницы было бы слишком расточительно и занимало бы слишком много времени. Потому все современные браузеры резервируют эти «тяжелые» данные на жестком диске и подгружают только основной контент, что в разы ускоряет отображение страниц для пользователя. Подобный принцип используется и при работе системного кэша, который хранится в оперативной памяти для быстрого доступа к данным.

Поэтому стоит менять свои взгляды на память: в новых операционных системах понятие «свободная память» есть синоним бездарно пропадающих без дела ресурсов. Это всего лишь резерв, чтобы система могла выдать его очередному приложению на некоторое время, пока освобождается занятая память. Windows сама освободит нужный приложению объем оперативной памяти от данных кэша или перебросит данные редко используемых программ в файл подкачки.

Заметьте, делает все это операционная система самостоятельно, без помощи каких-либо оптимизаторов. Тогда зачем нужны такие «очистители памяти» и «бустеры»?

Как работают утилиты по освобождению памяти?

Основных принципов их работы всего два:

• Они используют функцию EmptyWorkingSet из API Windows. Эта функция делает принудительный сброс неиспользуемых данных из памяти в файл подкачки на жестком диске компьютера. Визуально в диспетчере задач количество свободной памяти увеличится, но станут ли быстрее работать программы? Однозначно — нет. Потому что скорость чтения с диска значительно ниже, чем скорость чтения из оперативной памяти компьютера.
• Второй метод «очистки памяти» — приложение-оптимизатор требует у системы под себя достаточно много памяти. Система сама принудительно освобождает память от кэша и неиспользуемых данных. Но минут через десять Windows поймет, что программе-оптимизатору эта память не требуется и отдаст ее обратно под кэш и данные других программ.

Что делать, чтобы реально помочь своей системе с оптимизацией памяти?

Ответ банален — просто не мешайте работать Windows и следуйте простым советам.

• Старайтесь не запускать слишком много приложений без дела. Есть пользователи, которые после редактирования текста не закрывают окно Word. А документов за день они редактируют много и все они висят в фоне и «съедают» память.
• Удалите ненужные приложения с компьютера, особенно если они «висят» в автозагрузке.
• Добавьте память физически, если ваш компьютер это позволяет. Стоимость оперативной памяти сейчас весьма демократична, а эффект от увеличения памяти вы увидите сразу!

Все сторонние «оптимизаторы» и «бустеры» памяти как минимум бесполезны, а как максимум замедлят работу системы, показав кратковременное освобождение небольшого количества оперативной памяти.

Одним из немаловажных факторов повышающих производительность процессора, является наличие кэш-памяти, а точнее её объём, скорость доступа и распределение по уровням.

Уже достаточно давно практически все процессоры оснащаются данным типом памяти, что ещё раз доказывает полезность её наличия. В данной статье, мы поговорим о структуре, уровнях и практическом назначении кэш-памяти, как об очень немаловажной характеристике процессора .

Что такое кэш-память и её структура

Кэш-память – это сверхбыстрая память используемая процессором, для временного хранения данных, которые наиболее часто используются. Вот так, вкратце, можно описать данный тип памяти.

Кэш-память построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых состоит оперативная память . Это тянет за собой множество трудностей в производстве, а также ограничения в объёмах. Именно поэтому кэш память является очень дорогой памятью, при этом обладая ничтожными объёмами. Но из такой структуры, вытекает главное преимущество такой памяти – скорость. Так как триггеры не нуждаются в регенерации, а время задержки вентиля, на которых они собраны, невелико, то время переключения триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро. Это и позволяет кэш-памяти работать на таких же частотах, что и современные процессоры.

Также, немаловажным фактором является размещение кэш-памяти. Размещена она, на самом кристалле процессора, что значительно уменьшает время доступа к ней. Ранее, кэш память некоторых уровней, размещалась за пределами кристалла процессора, на специальной микросхеме SRAM где-то на просторах материнской платы. Сейчас же, практически у всех процессоров, кэш-память размещена на кристалле процессора.

Для чего нужна кэш-память процессора?

Как уже упоминалось выше, главное назначение кэш-памяти – это хранение данных, которые часто используются процессором. Кэш является буфером, в который загружаются данные, и, несмотря на его небольшой объём, (около 4-16 Мбайт) в современных процессорах , он дает значительный прирост производительности в любых приложениях.

Чтобы лучше понять необходимость кэш-памяти, давайте представим себе организацию памяти компьютера в виде офиса. Оперативная память будет являть собою шкаф с папками, к которым периодически обращается бухгалтер, чтобы извлечь большие блоки данных (то есть папки). А стол, будет являться кэш-памятью.

Есть такие элементы, которые размещены на столе бухгалтера, к которым он обращается в течение часа по несколько раз. Например, это могут быть номера телефонов, какие-то примеры документов. Данные виды информации находятся прямо на столе, что, в свою очередь,увеличивает скорость доступа к ним.

Точно так же, данные могут добавиться из тех больших блоков данных (папок), на стол, для быстрого использования, к примеру, какой-либо документ. Когда этот документ становится не нужным, его помещают назад в шкаф (в оперативную память), тем самым очищая стол (кэш-память) и освобождая этот стол для новых документов, которые будут использоваться в последующий отрезок времени.

Также и с кэш-памятью, если есть какие-то данные, к которым вероятнее всего будет повторное обращение, то эти данные из оперативной памяти, подгружаются в кэш-память. Очень часто, это происходит с совместной загрузкой тех данных, которые вероятнее всего, будут использоваться после текущих данных. То есть, здесь присутствует наличие предположений о том, что же будет использовано «после». Вот такие непростые принципы функционирования.

Уровни кэш-памяти процессора

Современные процессоры, оснащены кэшем, который состоит, зачастую из 2–ух или 3-ёх уровней. Конечно же, бывают и исключения, но зачастую это именно так.

В общем, могут быть такие уровни: L1 (первый уровень), L2 (второй уровень), L3 (третий уровень). Теперь немного подробнее по каждому из них:

Кэш первого уровня (L1) – наиболее быстрый уровень кэш-памяти, который работает напрямую с ядром процессора, благодаря этому плотному взаимодействию, данный уровень обладает наименьшим временем доступа и работает на частотах близких процессору. Является буфером между процессором и кэш-памятью второго уровня.

Мы будем рассматривать объёмы на процессоре высокого уровня производительности Intel Core i7-3770K. Данный процессор оснащен 4х32 Кб кэш-памяти первого уровня 4 x 32 КБ = 128 Кб. (на каждое ядро по 32 КБ)

Кэш второго уровня (L2) – второй уровень более масштабный, нежели первый, но в результате, обладает меньшими «скоростными характеристиками». Соответственно, служит буфером между уровнем L1 и L3. Если обратиться снова к нашему примеру Core i7-3770 K, то здесь объём кэш-памяти L2 составляет 4х256 Кб = 1 Мб.

Кэш третьего уровня (L3) – третий уровень, опять же, более медленный, нежели два предыдущих. Но всё равно он гораздо быстрее, нежели оперативная память. Объём кэша L3 в i7-3770K составляет 8 Мбайт. Если два предыдущих уровня разделяются на каждое ядро, то данный уровень является общим для всего процессора. Показатель довольно солидный, но не заоблачный. Так как, к примеру, у процессоров Extreme-серии по типу i7-3960X, он равен 15Мб, а у некоторых новых процессоров Xeon, более 20.

Windows был построен для использования на максимум машин с разными конфигурациями, и поэтому она обычно не оптимизирована для вашего компьютера и использования. Я также приглашаю вас, чтобы прочитать наши другие статьи статьи об оптимизации ваших компьютеров, если это уже сделано. «Не оптимизации», это на уровне процессора. Наши процессоры имеют кэшей, которые позволяют им положить в памяти некоторые данные для ускорения восстановления своих данных в будущем: http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9moire_cache по словам процессоров, вы можете иметь 2 или 3 уровнях ()) кэша. По умолчанию Windows использует кэш L2 (Level 2) 256 Кбайт, который означает, что если ваш процессор может использовать больше пространства, (что обычно происходит и будет больше времени будет проходить с учетом постоянной эволюции процессоров), ограниченный Windows возможности вашего процессора! И я даже не говорить не кэш L3, потому что Windows не использовать его, это как если вы не имеете этот третий кэш-память является крупнейшим из 3 уровней процессор!

Его процессор информация:

Первое, что сделать это знать возможности CPU (процессор), это:

• Скачать CPU – Z:-http://www.cpuid.com/softwares/cpu-z.html
• Установите его и открыть его
• Чтобы увидеть различные уровни кэша, у вас есть 2 возможности: 1 вкладку Нижний правый или 2

Для увеличения L2 кэша в Windows:

1. В меню «Пуск», найдите и откройте «regedit» (база данных реестра) (как в любой манипуляции в базе данных реестра, рекомендуется выполнить резервное копирование его компьютера в случае возникновения проблем)
2. Дважды щелкните на HKEY_LOCAL_MACHINE > система > CurrentControlSet > управления > Менеджер сессий > Управление памятью
3. в правом окне вы должны найти ключ с именем «SecondLevelDataCache», щелкните правой кнопкой мыши на нем и нажмите «Изменить»
4. Нажмите кнопку «Десятичная»
5. И замените значение true вашего процессора. В моем случае, CPU – Z говорит мне 2 x 256, так что положить в моем случае значение 512.
6. Нажмите кнопку «ОК»

Чтобы включить кэш L3 в Windows:

1. Шаг 1-2 так же, как L2 и поэтому прибывают в том же окне на шаге 3.
2. В свободной зоне в правом окне, щелкните правой кнопкой мыши и нажмите на «Новый» > «DWORD 32 бита»
3. Переименуйте новый ключ на «ThirdLevelDataCache» (без кавычек)
4. Щелкните правой кнопкой мыши на этот новый ключ переименован и нажмите «Изменить»
5. Нажмите кнопку «Десятичная»
6. Измените значение, что ваш процессор обозначается CPU – Z: в моем случае, я 3MBytes, так что я должен сделать 3 x 1024, что означает, что я должен положить 3072 как значение.
7. Нажмите кнопку «ОК».

Перезагрузите компьютер. 1 после перезагрузки, ваш компьютер может быть немного медленнее, чем обычно, что из того факта, что Windows необходимо включить эти новые данные, но позже, ваш компьютер должен быть быстрее и мощнее! Лично я не медленно во время перезагрузки, 1-й, но я заметил улучшение в скорости программ, особенно на уровне multi-tasking, несмотря на тот факт, что ВОЗ уже SSD на моем компьютере! Примечание: этот трюк не разгона, и поэтому нет никакого риска перегрева, который может быть найден в оверклокинга.

Как известно, компьютер — не телевизор, и желание усовершенствовать его возникает уже на второй день после покупки. Первое, что приходит в голову — оптимизировать Windows. Благо, материалов на эту тему предостаточно как в Web, так и на страницах компьютерных изданий. Но стоит ли вот так сразу набрасываться на систему и всегда ли можно получить положительный результат? Дабы сберечь нервные клетки, а в некоторых случаях и деньги рядовых пользователей ПК, я предлагаю разобраться в некоторых вопросах работы Windows более подробно. Итак, начнём.

Никогда, ни при каких обстоятельствах не производите изменений в реестре и системных файлах Windows, не имея резервной копии последних. Существует множество способов резервирования системы как стандартными средствами Windows, так и при помощи специальных программ. Этот вопрос неоднократно освещался на страницах компьютерной прессы и я надеюсь, что у каждого читателя уже имеется необходимый опыт в области резервирования реестра. А тем, кто пожелает создать свою программку backup, не изучая языки программирования, предлагаю прочитать статью, где подробно описано создание командных файлов для резервирования и восстановления системы. Будем считать, что резервная копия у Вас уже имеется, и мы можем продолжить наши исследования.

Оптимизация кэша жёсткого диска.

По мнению многих специалистов в области ОС Windows, размер кэша должен быть фиксированным и полностью зависит от объема оперативной памяти, установленной на компьютере. Мол, Windows не умеет работать с кэшем и тратит на это слишком много оперативки. Предлагаются даже стандартные схемы для определения размера кэша, исходя из размера памяти. Всё это прописывают в разделе файла system.ini в виде MinFileCache = размер в кб и MaxFileCache = размер в кб. Такой подход действительно позволит сэкономить некоторый объем памяти, но может привести к общему замедлению работы системы, особенно на домашних компьютерах, где в течение дня могут выполняться десятки самых разных программ, как мультимедийных, так и офисных и каждая из них требует разного размера кэша и оперативной памяти. Вряд ли Вам доставит удовольствие редактировать system.ini и перезагружать компьютер перед каждым запуском новой программы.

Универсальный же размер дискового кэша, на мой взгляд, возможность чисто теоритическая, так как в одних случаях всё равно будет наблюдаться избыток кэша и недостаток оперативки, в других — наоборот. А завтра сынишка притащит какую-нибудь игру с нестандартным использованием ресурсов памяти и system.ini снова придется редактировать? Современные версии Windows способны выполнять код программы прямо из кэша, т.е. кэш перестал быть промежуточным звеном между винчестером и памятью, а является ни чем иным, как частью оперативной памяти. Так что же мы, в таком случае, пытаемся ограничить? Вывод: Ограничение размера кэша жёсткого диска в большинстве случаев приводит к понижению производительности системы. Исключение составляют разве что компьютеры, выполняющие сходные задачи, в основном связанные с передачей больших объемов данных. Здесь оптимизация размера кэша действительно поможет добиться максимальной производительности системы.

Виртуальная память.

Большинство советов по этому поводу появилось на свет во времена победного шествия Windows 95, когда новый графический интерфейс потребовал дополнительной и достаточно дорогой оперативной памяти. Почему же эти древние советы перетаскиваются за седую бороду на новые платформы? Ведь современные версии Windows работают с виртуальной памятью абсолютно иначе. Итак, что же нам предлагают сотворить с файлом подкачки? Да всё то же, что и для древних окон, а именно: сделать его размер фиксированным и равным 3–4 размерам оперативной памяти. Необходимость этих действий объясняется обычно тем, что OS затрачивает чуть ли не целую вечность на изменение размера файла подкачки, данные излишне фрагментируются и тем самым тормозится работа системы.

Предвижу всеобщее негодование, но всё же берусь утверждать, что подобные объяснения если не полная чепуха, то, по крайней мере, давно потеряли свою актуальность. Лишив Windows возможности самостоятельно определять необходимый размер файла подкачки, Вы рискуете получить сообщение о невозможности запуска определённых программ. Риск увеличивается, если используется многозадачность Windows. К примеру, запросто может возникнуть ситуация, когда Вам будет необходима одновременная работа с Photoshop, текстовым процессором, HTML редактором и ещё каким-нибудь аниматором. Где гарантия, что в это время Вам не понадобится открыть графический файл размером в несколько десятков Мб для последующего редактирования? Представьте себе, что в этот момент произойдёт сбой системы из за того, что Windows не сможет увеличить размер виртуальной памяти, а результаты своих трудов Вы по какой-то причине не сохранили?! Это уже не смешно. Хочу обратить внимание уважаемых читателей на следующий факт. Windows изменяет размер файла подкачки динамически и в основном тогда, когда ресурсы системы относительно свободны и обращение к диску не вызывает никаких неудобств.

После завершения текущей задачи, размер файла подкачки остаётся неизменным в течение некоторого периода времени. Если в это время Вы пойдёте приготовить себе очередную чашечку кофе, то даже не заметите никаких действий со стороны OS, ну а если предпочтёте продолжить работу, то вряд ли будете сидеть сложа руки эти 2,5 минуты, а запустите очередную программу. Кроме того, потребность в виртуальной памяти для современных программ уменьшена в несколько раз благодаря использованию так называемого принципа прямого считывания (Linear Executable). Такие программы не загружаются в память полностью, а сопоставляют свой код страницам памяти и производят загрузку необходимых библиотек по мере необходимости. Таким образом обеспечивается наиболее полное и оптимальное использование как оперативной, так и виртуальной памяти. Сомнительными являются и предположения, что фиксация размера файла подкачки позволит избежать излишней фрагментации данных. Ведь внутри самого файла данные всё равно будут фрагментированы, возможно, даже в большей степени, чем при обычном использовании. Что касается переноса файла подкачки в начало диска или на отдельный физический диск, то такие методы действительно имеют право на жизнь. Но эффект от этого Вы едва ли сможете заметить.

Для осуществления подобных мероприятий понадобятся специальные дорогостоящие утилиты вроде знаменитого пакета господина Нортона, которые неизбежно пропишут в автозагрузку свои программы, тем самым компенсируя улучшенную виртуальную память уменьшением физической. Чтобы избежать этого, придётся оптимизировать уже сами утилиты. Кроме этого, работа с утилитами требует хотя бы элементарного понимания того, что происходит при их использовании. Особенно опасны автоматизированные функции. Мне не раз приходилось восстанавливать системы после использования Norton Utilities. Причина до смешного проста - неправильные региональные настройки. Дело в том, что программа Norton Disk Doctor, входящая в состав утилит считывает код страны. И если на Вашей машине установлена русская версия Windows, а региональные настройки, скажем, США, то программа посчитает все русскоязычные имена файлов и папок за ошибку. Результат, я думаю, понятен. И это всего лишь незначительная часть возможных проблем. Вывод: Современные версии Windows не нуждаются в оптимизации виртуальной памяти. А если Вы всё же решите переместить своп файл в начало диска или на отдельный диск, то не забудьте изучить цены на лицензионные утилиты + дополнительный жёсткий диск. На мой взгляд, линейка памяти обойдётся значительно дешевле.

Интернет и модем.

Продвинутые пользователи Windows советуют добавить в раздел реестра HKEY_LOCAL_MACHINE\ System\ CurrentControlSet\ Services\ Class\ NetTrans\ 0000 (может быть 0001 и т.д.) некоторые параметры, оказывающие прямое влияние на быстродействие модема. Главным параметром является MaxMTU. Напомню, что MTU (Maximum Transmition Unit) - это максимальный размер пакета данных, который может быть передан по сети за один физический фрейм. Наиболее оптимальным считается значение MaxMTU=576. Но простите, оптимальным - то для чего? Чтобы ответить на этот вопрос, я предлагаю провести маленький эксперимент. Давайте воспользуемся гостевым подключением к сети Интернет, предоставляемым одним из самых популярных столичных провайдеров — Svit Online. Для подключения к удалённому компьютеру будем использовать порядком подзабытую программу Hyper Terminal, номер дозвона 490-0-490, логин- svit, пароль - online. И что же мы увидим после ввода пароля?

Удалённый компьютер сообщает нам присвоенный IP адрес и… MTU=1500! Теперь Вам ясно, для чего значение MaxMTU=576 является оптимальным? Не иначе, как для замедления передачи данных. Для оптимальной передачи, оказывается, нужно исходить из значения 1500. Я не буду подробно останавливаться на расчётах других параметров, таких, как MSS, TTL, так как считаю все эти мероприятия далеко не безобидными, учитывая стоимость услуг провайдеров и поминутную оплату городского телефона. Windows прекрасно справляется с задачей автоматического определения MTU сама, без нашего вмешательства. Лучше сосредоточить своё внимание на повышении качества линии связи, хотя бы в пределах собственной квартиры. Чаще причиной ухудшения связи являются разного рода скрутки, плохие контакты и множество параллельных телефонных аппаратов, а не железо и soft. Но это-тема для отдельного разговора.

Участь быть оптимизированной постигла и Windows Me. Чего тут только не предлагают: и удалить PC Health, и отключить System Restore, и избавиться от Media Player 7 с Movie Maker’ом, и заменить IE 5,5 более старой версией, и даже ввести реальный режим DOS. И всё это только для того, чтобы установить новую операционку на ПК с Pentium 133 МГц и 32 Мб ОЗУ. Но тогда что от неё останется? О какой платформе Windows Me идёт речь? Ведь даже если Вам удастся поместить двигатель от «Mersedes» в «Запорожец», он от этого «Mesredes’ом» не станет. В результате — дополнительные сбои, неудобство в работе, а чаще — format C:. Вот тут то пользователь и поверит рассказам о легендарной глючности Windows. Точнее, не поверит, а проверит на собственном горьком опыте.

Формула для среднего времени доступа к памяти в системах с кэш-памятью выглядит следующим образом:

Среднее время доступа = Время обращения при попадании + Доля промахов x Потери при промахе

Эта формула наглядно показывает пути оптимизации работы кэш-памяти: сокращение доли промахов, сокращение потерь при промахе, а также сокращение времени обращения к кэш-памяти при попадании. Ниже на рис. 7.3 кратко представлены различные методы, которые используются в настоящее время для увеличения производительности кэш-памяти. Использование тех или иных методов определяется прежде всего целью разработки, при этом конструкторы современных компьютеров заботятся о том, чтобы система оказалась сбалансированной по всем параметрам.

Метод	Доля промахов	Потери при промахеВремя обраще-ния при попадании Слож-ность аппаратуры Примечания
Увеличение размера блока	+	-
Повышение степени ассоциативности	+	- 1
Кэш-память с вспомогательным кэшем	+
Псевдоассоциативные кэши	+
Аппаратная предварительная выборка команд и данных	+	2 Предварительная выборка данных затруднена
Предварительная выборка под управлением компилятора	+	3 Требует также неблокируемой кэш-памяти
Специальные методы для уменьшения промахов	+	0 Вопрос ПО
Установка приоритетов промахов по чтению над записями		+ 1 Просто для однопроцессорных систем
Использование подблоков		++ 1 Сквозная запись + подблок на 1 слово помогают записям
Пересылка требуемого слова первым		+
Неблокируемые кэши		+
Кэши второго уровня		+ 2 Достаточно дорогое оборудование
Простые кэши малого размера	-	+ 0
Обход преобразования адресов во время индексации кэш-памяти		+ 2
Конвейеризация операций записи для быстрого попадания при записи		+ 1

Рис. 7.3. Обобщение методов оптимизации кэш-памяти

Кэш-память (или просто кэш, от англ. Cache - склад, тайник) предназначена для промежуточного хранения информации из системной памяти с целью ускорения доступа к ней. Ускорение достигается за счет использования более быстрой памяти и более быстрого доступа к ней. При этом в кэш-памяти хранится постоянно обновляемая копия некоторой области основной памяти.

Необходимость введения кэша связана с тем, что системная память персонального компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти, которая характеризуется меньшей стоимостью, но и более низким быстродействием, по сравнению со статической памятью. Идея состоит в том, что благодаря введению быстрой буферной, промежуточной статической памяти можно ускорить обмен с медленной динамической памятью. По сути, кэш-память делает то же, что и применявшийся ранее конвейер команд, но на более высоком уровне. В кэш-памяти хранится копия некоторой части системной памяти, и процессор может обмениваться с этой частью памяти гораздо быстрее, чем с системной памятью. Причем в кэш-памяти могут храниться как команды, так и данные.

Выигрыш в быстродействии от применения кэша связан с тем, что процессор в большинстве случаев обращается к адресам памяти, расположенным последовательно, один за другим, или же близко друг к другу. Поэтому высока вероятность того, что информация из этих адресов памяти окажется внутри небольшой кэш-памяти. Если же процессор обращается к адресу, расположенному далеко от тех, к которым он обращался ранее, кэш оказывается бесполезным и требует перезагрузки, что может даже замедлить обмен по сравнению со структурой без кэш-памяти.

В принципе кэш-память может быть как внутренней (входить в состав процессора), так и внешней. Внутренний кэш называется кэшем первого уровня, внешний - кэшем второго уровня. Объем внутреннего кэша обычно невелик - типовое значение 32 Кбайт. Объем внешнего кэша может достигать нескольких мегабайт. Но принцип функционирования у них один и тот же.

Кэш первого уровня процессора 486 имеет четырехканальную структуру (рис. 7.9). Каждый канал состоит из 128 строк по 16 байт в каждой. Одноименные строки всех четырех каналов образуют 128 наборов из четырех строк, каждый из которых обслуживает свои адреса памяти. Каждой строке соответствует 21-разрядная информация об адресе скопированного в нее блока системной памяти. Эта информация называется тегом (Tag) строки.

Рис. 7.9. Структура внутреннего кэша процессора 486.

Кроме того, в состав кэша входит так называемый диспетчер, то есть область памяти с организацией 128 х 7, в которой хранятся 4-битные теги действительности (достоверности) для каждого из 128 наборов и 3-битные коды LRU (Least Recently Used) для каждого из 128 наборов. Тег действительности набора включает в себя 4 бита достоверности каждой из 4 строк, входящих в данный набор. Бит достоверности, установленный в единицу, говорит о том, что соответствующая строка заполнена; если он сброшен в нуль, то строка пуста. Биты LRU говорят о том, как давно было обращение к данному набору. Это нужно для того, чтобы обновлять наименее используемые наборы.

Адресация кэш-памяти осуществляется с помощью 28 разрядов адреса. Из них 7 младших разрядов выбирают один из 128 наборов, а 21 старший разряд сравнивается с тегами всех 4 строк выбранного набора. Если теги совпадают с разрядами адреса, то получается ситуация кэш-попадания , а если нет, то ситуация кэш-промаха .

В случае цикла чтения при кэш-попадании байт или слово читаются из кэш-памяти. При кэш-промахе происходит обновление (перезагрузка) одной из строк кэш-памяти.

В случае цикла записи при кэш-попадании производится запись как в кэш-память, так и в основную системную память. При кэш-промахе запись производится только в системную память, а обновление строки кэш-памяти не производится. Эта строка становится недостоверной (ее бит достоверности сбрасывается в нуль).

Такая политика записи называется сквозной или прямой записью (Write Through). В более поздних моделях процессоров применяется и обратная запись (Write Back), которая является более быстрой, так как требует гораздо меньшего числа обращений по внешней шине.

При использовании обратной записи в основную память записываемая информация отправляется только в том случае, когда нужной строки в кэше нет. В случае же попадания модифицируется только кэш. В основную память измененная информация попадет только при перезаписи новой строки в кэш. Прежняя строка при этом целиком переписывается в основную память, и тем самым восстанавливается идентичность содержимого кэша и основной памяти.

В случае, когда требуемая строка в кэше не представлена (ситуация кэш-промаха), запрос на запись направляется на внешнюю шину, а запрос на чтение обрабатывается несколько сложнее. Если этот запрос относится к кэшируемой области памяти, то выполняется цикл заполнения целой строки кэша (16 байт из памяти переписывается в одну из строк набора, обслуживающего данный адрес). Если затребованные данные не укладываются в одной строке, то заполняется и соседняя строка. Заполнение строки процессор старается выполнить самым быстрым способом - пакетным циклом, однако внешний контроллер памяти может потребовать использования более медленных пересылок.

Внутренний запрос процессора на данные удовлетворяется сразу, как только данные считываются из памяти, а дальнейшее заполнение строки может идти параллельно с обработкой данных. Если в наборе, который обслуживает данный адрес памяти, имеется свободная строка, заполнена будет именно она. Если же свободных строк нет, заполняется строка, к которой дольше всех не обращались. Для этого используются биты LRU, которые модифицируются при каждом обращении к строке данного набора.

Кроме того, существует возможность аннулирования строк (объявления их недостоверными) и очистки всей кэш-памяти. При сквозной записи очистка кэша проводится специальным внешним сигналом процессора, программным образом с помощью специальных команд, а также при начальном сбросе – по сигналу RESET. При обратной записи очистка кэша подразумевает также выгрузку всех модифицированных строк в основную память.

Отметим, что в пространстве памяти персонального компьютера имеются области, для которых кэширование принципиально недопустимо (например, разделяемая память аппаратурных адаптеров - плат расширения).

Режим пакетной передачи (Burst Mode), впервые появившийся в процессоре 486, предназначен для быстрых операций со строками кэша. Пакетный цикл обмена (Burst Cycle) отличается тем, что для пересылки всего пакета адрес по внешней шине адреса передается только один раз - в начале пакета, а затем в каждом следующем такте передаются только данные. Адрес для каждого следующего кода данных вычисляется из начального адреса по правилам, установленным как передатчиком данных, так и их приемником. Например, адрес каждого следующего слова данных вычисляется как инкрементированный адрес предыдущего. В результате время передачи одного слова данных значительно сокращается. Понятно, что обмен пакетными циклами возможен только с устройствами, изначально способными обслуживать такой цикл. Допустимая длина пакета не слишком велика, например, при чтении размер пакета ограничен одной строкой кэша.

Режим внутреннего умножения тактовой частоты процессора был предложен для того, чтобы повысить быстродействие процессора, но при этом устанавливать его в системные платы, рассчитанные на невысокие тактовые частоты. Например, модель процессора 486DX2-66 работает в системной плате с тактовой частотой 33, но эту частоту внутри себя преобразует в удвоенную частоту - 66 МГц. Это позволяет уменьшить общую стоимость системы, так как снижает требования к элементам системной платы.

Процессор 486 выпускался в 168- или 169-выводных корпусах. Напряжение питания - 5 В или 3,3 В. Введение пониженного напряжения питания 3,3 В связано с необходимостью снижения величины рассеиваемой мощности. Растущая тактовая частота и усложнение структуры процессоров приводят к тому, что рассеиваемая ими мощность достигает нескольких ватт. Для современных процессоров уже обязательно применение вентиляторов на корпусе процессора.