Prozessor-Cache

Prozessor-Cache

 

[sprich: -Käsch] der, ein Zwischenspeicher (Cache), der die Zugriffszeiten auf den Arbeitsspeicher verkürzt. Im Vergleich zur internen Verarbeitungsgeschwindigkeit des Hauptprozessors erfolgt der Datenaustausch mit den Speicher-Chips relativ langsam. Darum müsste der Prozessor ohne eigenen Cache häufig in einen Waitstate (»Wartezustand«) schalten und würde dabei wertvolle Zeit verlieren. Als Prozessor-Cache wird daher ein statisches RAM verwendet, das ungefähr viermal schneller arbeitet als die dynamischen RAM-Chips des Arbeitsspeichers.

 

Alle modernen Prozessoren, wie z. B. die Pentium-Familie von Intel, die Alpha-Chips von DEC, der G3 und G4 von Motorola/Apple oder der K6 bzw. K7 (Athlon/Duron) von AMD, besitzen einen Prozessor-Cache. Dabei ist der direkt im Prozessor untergebrachte Cache nur die Spitze einer Cache-Hierarchie, er heißt deshalb auch L1-Cache (First Level Cache, 1st Level Cache, »Cache der ersten Ebene«). Typische Werte für die Speicherkapazität von L1-Caches liegen zwischen 8 und 32 KByte, der G4+ von Motorola/Apple hat 64 KByte. Beim Pentium 4 ist der First Level Cache aufgeteilt in einen relativ kleinen Daten-Cache-Bereich mit 8 KByte und einen erweiterten sog. Trace Cache für Befehle mit 12 KByte.

 

Nach dem L1-Cache bildet der L2-Cache (Second Level Cache, 2nd Level Cache) die zweite Stufe der Cache-Pyramide. Dieser war zunächst auf der Systemplatine, aber nicht mehr direkt im Prozessor untergebracht. Man unterscheidet beim L2-Cache zwei verschiedene Arbeitsweisen: Beim Write Through Cache (»Durchschreib-Cache«) werden die an den L2-Cache übermittelten Daten direkt an den Arbeitsspeicher weitergeleitet, der Prozessor wartet, bis der Schreibvorgang abgeschlossen ist. Dagegen arbeitet ein Write Behind Cache (Write Back Cache, »Hintergrundschreib-Cache«) quasi wie ein Hintergrundprozess. Er sendet an den Prozessor lediglich eine Nachricht über die Ankunft eines Datenpakets sowie den Beginn seiner Übermittlung an den Arbeitsspeicher. Den tatsächlichen Schreibvorgang startet er erst danach und führt ihn unabhängig vom Prozessor dann aus, wenn Zeit dafür ist. Write Back ist das neuere, schnellere und i. d. R. sinnvollere Verfahren.

 

Ab dem Pentium Pro wurde damit begonnen, auch den L2-Cache im Prozessor zu integrieren, dieser bleibt aber dem L1-Cache nachgeordnet und nimmt Daten bzw. Befehle auf, die nicht ganz so oft bzw. dringend benötigt werden. Anders als der L1- wird der L2-Cache aber nach wie vor nicht in Befehls- und Dateneinheit unterteilt. Ab dem K6-III-Prozessor (K6) wurde eine weitere Cache-Stufe wiederum auf der Systemplatine angesiedelt, der L3-Cache. Der L3-Cache wird heute bereits in den Spitzenmodellen der PowerPC-G4-Reihe von Motorola sowie in einigen Intel-Prozessoren für Server eingesetzt (Itanium, Xeon) und hat eine Größe von bis zu 4 MByte (während der L2-Cache typischerweise 256 KByte groß ist).

 

TIPP:

 

Beim ersten Pentium ist der L2-Cache über den Front Side Bus direkt mit dem Prozessor verbunden. Daher hat hier die Taktfrequenz des FSB direkten Einfluss auf die Leistung des Prozessor-Cache, v. a. bei Zugriffen auf den L1-Cache. Ab dem Pentium II wird für den L2-Cache ein eigener Bus (Back Side Bus, DIB) benutzt, sodass der L2-Cache auch bei niedrigerem FSB-Takt sehr effektiv arbeitet.