Як кеш-пам'ять прискорює обробку комп'ютера?

Кеш, який є високошвидкісним пристроєм зберігання даних, є місцем, де мікропроцесор зберігає ті дані, які він використовує найчастіше. Подібно до того, як ви кладете кухонний посуд на кухонний стіл під час обіду, комп’ютер зберігає дані, які йому потрібні для певної програми, у свій кеш. Якщо з’являються нові програми, які вимагають інтенсивного використання різних даних, мікропроцесор переносить нові дані в кеш-пам’ять, щоб він міг ефективніше виконувати завдання, які потребують цих даних.

Пам'ять комп'ютера розроблена в ієрархічній формі. Кожен модуль ієрархії класифікується відповідно до того, скільки часу потрібно для доступу до даних із певного типу модуля пам’яті. Для доступу мікропроцесора до даних з кеш-пам'яті потрібно найменше часу. Основна пам’ять, яка найчастіше складається з мікросхем пам’яті DRAM, потребує більше часу для доступу до даних, ніж кеш-пам’ять. Флеш-пам'ять, створена за допомогою чіпів флеш-пам'яті, займає ще більше часу, тоді як дані на диску, який часто називають віртуальною пам'яттю, займають більше часу.

Тактова частота процесора визначає максимальну швидкість, з якою процесори можуть виконувати команди. Мікросхеми кеш-пам'яті, оскільки вони розроблені для доставки інструкцій або даних так швидко, як мікропроцесор може їх використовувати, дозволяють мікропроцесорам працювати на повній швидкості. Якщо інструкції та дані зберігаються в кеші, а не в основній пам’яті чи пам’яті диска, процесор може працювати на максимальній заданій тактовій частоті процесора.

Усі комп’ютери використовують алгоритми керування пам’яттю, які зберігають дані та інструкції, щоб отримати найшвидший доступ до даних та інструкцій, які використовуються найчастіше. Якщо комп’ютер має кеш-пам’ять, мікропроцесор розміщуватиме дані та інструкції, до яких він найчастіше звертається, у високошвидкісну кеш-пам’ять. Алгоритм кешу пам’яті мікропроцесора позначає дані та інструкції бітами даних, які він використовує, щоб визначити, які дані та інструкції використовуються найчастіше. Алгоритм кешу також передає дані та інструкції з кешу, які більше не використовуються, для зниження швидкості основної пам’яті.

Розмір високошвидкісної кеш-пам'яті є основним фактором, який визначає, наскільки збільшиться швидкість комп'ютера. Оскільки вони можуть зберігати набагато більше даних у своїй високошвидкісній пам’яті, дуже великі кеші покращують швидкість обробки комп’ютера набагато більше, ніж менші кеші. Однак є момент зменшення віддачі: у якийсь момент більший кеш-пам’ять більше не забезпечує виграш у швидкості обробки, який компенсує високу ціну більшої кеш-пам’яті.