Cache

Stichpunkte

Allgemein
	der bei CPUs heute meist im Prozessor integriert ist
	früher aber auch häufig auf der Hauptplatine zu finden war
	Cache Vorlage:Lautschrift bezeichnet in der EDV einen schnellen Puffer-Speicher
	Bei Festplatten befindet sich der Cache auf der Steuerplatine (siehe auch Festplattencache)
	wodurch diese bei einem Zugriff schneller zur Bearbeitung bereitstehen
	In ihm werden Daten und – beim CPU-Cache – auch Programminstruktionen zwischengespeichert
	Die Funktionsweise eines Caches beruht auf der so genannten Lokalitätseigenschaft
	um so größer ist
	dass die Wahrscheinlichkeit
	je kürzer der letzte Zugriff auf diese Daten zurückliegt
	Vereinfacht dargestellt bedeutet das
	dass Daten nach einem erfolgten Zugriff erneut benötigt werden
	Wörtlich aus dem Englischen übersetzt bedeutet Cache (gesprochen wie das Bargeld cash
	entlehnt vom französischen cacher - verbergen) „geheimes Lager“
	Aus dem Quotes-of-the-day eines Linux-Betriebssystems: „Cache: A very expensive part of the memory system of a computer that no one is supposed to know it is there.“ Der Name verdeutlicht den Umstand
	dass ein Cache seine Arbeit zumeist im Verborgenen verrichtet
	Für den Programmierer ist er weitgehend transparent
	Seine Existenz tritt nur bei performance-relevanten Optimierungen oder bei selten nötigen Operationen wie etwa dem Cache-Flush in Erscheinung. Inhaltsverzeichnis showTocToggle("Anzeigen"
	"Verbergen") 1 Der Prozessor-Cache 1.1 Arbeitsweise 1.2 Adressierungstechnik 1.3 Cache-Flush 2 Cache-Level 2.1 Stufung des Datenzugriffs im Computer 3 Festplatten-Caches 4 Speicher-Caches 5 Software-Caches 6 Siehe auch [Bearbeiten]
Der Prozessor-Cache
	Jeder moderne Prozessor besitzt einen oder mehrere Caches
	Der Prozessor-Cache arbeitet im Gegensatz zum Hauptspeicher meist mit dem vollen Prozessortakt – mehrere Gigahertz im Vergleich zu mehreren hundert Megahertz
	Das hat zur Folge
	die sich im Prozessor-Cache befinden
	dass Daten
	in der Regel sofort (im nächsten Takt) zur Verfügung stehen und die CPU nicht erst auf den langsamen Hauptspeicher warten muss
	Die Ausführungsgeschwindigkeit von Programmen kann dadurch enorm gesteigert werden. [Bearbeiten]
Arbeitsweise
	kann er immer nur Teile des Hauptspeichers zwischenspeichern
	Da der Cache viel kleiner ist als der langsamere Hauptspeicher
	Zur Vereinfachung der Cache-Verwaltung wird hierzu nicht das kleinste zugreifbare Speicherelement – in der Regel das Byte – gespeichert
	so genannte Blöcke
	sondern immer gleichgroße Gruppen aufeinanderfolgender Speicherelemente
	immer nur die Blöcke im Cache zu halten
	Bei der Verwaltung des Caches ist es sinnvoll
	auf die auch häufig zugegriffen wird
	Zu diesem Zweck gibt es verschiedene Ersetzungsstrategien
	welche immer den am längsten nicht mehr zugegriffenen Block im Cache austauscht
	Eine häufig verwendete Variante ist dabei die LRU-Strategie (engl. least recently used)
	Aufgrund des erwähnten kleinen Cachespeicherplatzes treten bei Lese/Schreib-Anforderungen des Prozessors folgende Fälle auf: Cache-Hit: Der angeforderte Block wurde im Cache gefunden und kann dort sofort bearbeitet werden
	Dies bedeutet einen erheblichen Performancegewinn
	Cache-Miss: Der angeforderte Block ist nicht im Cache
	Der Block muss somit aus dem Hauptspeicher geladen werden und wird gegen einen anderen im Cache ersetzt
	dass der Prozessor während der Nachlade- und Ersetzungsphase schlimmstenfalls angehalten werden muss (Stall -> Performanceverlust)
	Dies bedeutet
	Es werden 3 Arten von Cache-Misses unterschieden: Compulsory: Der erste Schreib/Lesezugriff auf einen Block ist aus Prinzip ein Miss
	da diese Änderung nicht mehr mit dem Block im Hauptspeicher übereinstimmt
	Capacity: Der Cache ist voll (Ersetzung eines Blockes notwendig oder grösserer Cache) Conflict: Abhängig vom gewählten Ersetzungsverfahren
	dass die Stelle
	bereits belegt ist. Problem: Eine Änderung auf dem Cache führt zwangsläufig zu einer Inkonsistenz
	an der ein Block eingelagert werden soll
	kann es passieren
	wie z.B
	da ja immer auf den Hauptspeicher gewartet werden muss) Write Back: Der geänderte Cache-Block wird erst im Hauptspeicher aktualisiert
	Zur Lösung existieren 2 Techniken: Write Through: Wird ein Cacheelement geändert wird auch gleichzeitig sein Pendant im Hauptspeicher geändert. (Nachteil: Verlust des Geschwindigkeitsvorteil des Caches
	wenn es ersetzt wird. (Nachteil: Inkonsistenzprobleme bei Mehrprozessorsystemen / Abhilfe schaffen hier Cache-Kohärenz-Protokolle
	MESI für UMA-Systeme) In modernen Prozessoren sind aufgrund beider Nachteile beide Varianten implementiert
	hat er 2 Möglichkeiten: Fetch on Write: Der Block wird einfach vorher nochmal in den Cache eingelesen damit der Prozessor darauf wieder schreibend zugreifen kann
	Write-Miss Problem: Ist ein Block im Cache schon ersetzt worden auf die der Prozessor jetzt schreibend zugreifen will
	Write Around: Der Block wird unter Umgehung des Caches direkt im Hauptspeicher geändert. [Bearbeiten]
Adressierungstechnik
	Es existieren 3 Verfahren um Daten im Cache abzulegen: Direct Mapped: Ein eingelagerter Block kann sich nur an einer Stelle befinden (Abbildung auf genau eine Speicherzelle)
	Die Adressberechnung erfolgt dabei über eine einfache Modulo Funktion
	Fully Associative: Hier kann sich ein Block an jeder beliebigen Stellen befinden
	Der Block ist somit inhaltsadressierbar
	Set Associative: Der Cachespeicher wird hierbei in meherere Sets aufgeteilt
	Diese Sets haben feste Plätze im Cache
	Ein neuer Block kann nun innerhalb eines Sets beliebig platziert werden
	Mengen-Assoziative Caches vereinen somit Direct-Mapped mit der Voll-Assoziativen Technik: 1-way set associative = direct mapped n-way set associative = fully associative Heutige Caches implementieren das Mengen-assoziative Verfahren. [Bearbeiten]
Cache-Flush
	Ein Cache-Flush bewirkt das komplette Zurückschreiben des Cache-Inhaltes in den Hauptspeicher
	Dabei bleibt der Cache-Inhalt meist unangetastet
	Ein solches Vorgehen ist nötig wenn man die Cache <-> Hauptspeicher Konsistenz wiederherstellen möchte. [Bearbeiten]
Cache-Level
	Der Level-1-Cache hält die aktuellen Adressen
	damit diese nicht langwierig aus „entfernterem“ Speicher aufgerufen werden müssen
	Befehle und Zwischenergebnisse auf Vorrat
	Dieser Cache liegt stets direkt im Prozessorkern und hat in der Regel eine Größe von 8 bis 256 KB
	auch unter Umständen ganze Programmabschnitte
	Der Level-2-Cache puffert größere aktuell zu verarbeitete Datenbestände
	In der günstigsten Anordnung liegt dieser Cache wie der Level-1-Cache auf dem Prozessorchip (on-Die) und wird mit der vollen Prozessortaktrate angesprochen
	Liegt der L2-Cache außerhalb der CPU
	also z.B. auf einer „entfernteren“ Platine
	so muss die Taktrate in der Regel halbiert werden
	Der L2-Cache ist in der Regel zwischen 512 und 2048 KB groß
	Insbesondere wenn der L2-Cache on-Die vorliegt
	kann eine weitere Stufe
	der Level-3-Cache noch einmal eine Beschleunigung des Speicherzugriffs bedeuten. [Bearbeiten]
Stufung des Datenzugriffs im Computer
	…sortiert von schnell nach „langsam“: 1. die Daten liegen in einem Register des Prozessors 2. die Daten liegen im Level-1-Cache des Prozessors 3. die Daten liegen im Level-2-Cache a) on-Die b) nicht on-Die
	auf einer „entfernteren“ Platine 4. die Daten liegen im Level-3-Cache (nicht on-Die) 5. die Daten müssen aus dem regulären Arbeitsspeicher gelesen werden 6. die Daten müssen extern gelesen werden (von z.B. der Festplatte) a) die Daten liegen in einem Laufwerks-Cache (Speicher in der Ansteuerungselektonik (Controller oder im Laufwerksgehäuse)) b) die Daten werden magnetisch/optisch gelesen 7. die Daten müssen noch (z.B. per Scanner oder Tastatur) eingegeben werden. [Bearbeiten]
Festplatten-Caches
	Moderne Festplatten besitzen ebenfalls einen eigenen eingebauten Cache (meist 1-8MB groß)
	Er sorgt hier für enorm reduzierte Anfragezeiten bei Cache-Hits (wenige Nanosekunden im Vergleich zu einigen Millisekunden)
	Siehe dazu Festplattencache. [Bearbeiten]
Speicher-Caches
	Selbst heutige Speicher (SD-RAM
	DDR-RAM
	RDRAM
	...) besitzen selber nocheinmal einen schnelleren Cache
	Der Grund ist
	dass der Hauptspeicher fast aller PC's mit dynamischem Speicher bestückt ist
	welcher zwar billiger aber Aufgrund seiner Refreshzyklen auch langsamer ist
	Desshalb besitzt jeder RAM-Baustein einen kleinen Cache in Form eines statischen Speichers. [Bearbeiten]
Software-Caches
	Das Wort "Cache" trifft man auch in der Software an
	Hier beschreibt es dasselbe Prinzip wie bei der Hardwareimplementierung: Daten werden für einen schnelleren Zugriff auf ein schnelleres Medium zwischengespeichert
	Beispiele: Browser-Cache: (Netz -> Festplatte) Anwendungen: (Festplatte -> Hauptspeicher) [Bearbeiten]
Siehe auch
	Vorlage:Wiktionary1 Change Management Speicherhierarchie als:Cache cs:Cache en:Cache es:Caché fi:Välimuisti fr:Mémoire cache hr:Cache hu:Gyorsítótár it:Cache ja:キャッシュ (コンピュータシステム) nl:Cache pl:Bufor

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