ในทศวรรษ 1980 ความเร็วไมโครโปรเซสเซอร์เพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเมื่อเปรียบเทียบกับเวลาในการเข้าถึงหน่วยความจำ เห็นได้ชัดว่าต้องทำบางอย่างเพื่อปรับปรุงความเร็วในการเข้าถึงหน่วยความจำและทำให้ทั้งระบบมีประสิทธิภาพมากขึ้น ความคลาดเคลื่อนระหว่างความเร็วในการประมวลผลและความเร็วของหน่วยความจำนำไปสู่การพัฒนาแคช
แคชคืออะไร
การประดิษฐ์แคชเป็นหนึ่งในเหตุการณ์ที่สำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์ของวิทยาการคอมพิวเตอร์ แต่แคชคืออะไรกันแน่? มันทำงานอย่างไร
ในระดับพื้นฐาน แคชเป็นหน่วยความจำประเภทที่รวดเร็ว ประกอบด้วยหน่วยความจำขนาดเล็กที่มีคำแนะนำที่คอมพิวเตอร์มักจะต้องใช้เป็นลำดับต่อไปเมื่อทำงานเฉพาะ คอมพิวเตอร์โหลดข้อมูลนั้นลงในแคชโดยใช้อัลกอริธึมที่ซับซ้อนและความรู้เกี่ยวกับโค้ดโปรแกรม จุดประสงค์ของการมีระบบแคชในคอมพิวเตอร์คือเพื่อให้แน่ใจว่า CPU มีการเข้าถึงข้อมูลที่จำเป็นตามลำดับที่ต้องการโดยไม่จำกัด
หากต้องการดูวิธีการทำงาน คุณต้องรู้ว่าคอมพิวเตอร์มีหน่วยความจำสามประเภท อันดับแรกมีหน่วยความจำหลักที่พบในฮาร์ดไดรฟ์หรือ SSD เป็นที่เก็บข้อมูลหน่วยความจำที่ใหญ่ที่สุดในเครื่อง จากนั้นก็มี RAM หรือ Random Access Memory ซึ่งเร็วกว่าแต่เล็กกว่าอุปกรณ์หน่วยความจำหลัก สุดท้าย มีหน่วยหน่วยความจำภายใน CPU เอง เรียกว่าแคช แคชนั้นเร็วที่สุดในบรรดาหน่วยความจำทุกประเภท
เมื่อโปรแกรมเปิดตัว โปรแกรมนั้นจะเริ่มดำเนินการชุดคำสั่งที่พบในโค้ดของโปรแกรม ข้อมูลนั้นจะโหลดเข้าสู่ RAM ก่อนแล้วจึงย้ายไปยัง CPU ในการใช้ข้อมูลเพื่อปฏิบัติตามคำแนะนำได้ดีที่สุด CPU จำเป็นต้องมีหน่วยความจำความเร็วสูง นั่นคือที่มาของแคช
ระดับของแคช
ภายใน CPU มีแคชสามระดับที่แตกต่างกัน:L1, L2 และ L3 บางบริษัทกำลังทำงานกับแคช L4 ด้วยซ้ำ
แคช L1 นั้นเร็วและเล็กที่สุดในสามตัว ประกอบด้วยข้อมูลที่ CPU มักจำเป็นต้องใช้ในการดำเนินการ โดยทั่วไปแล้ว L1 จะมีขนาดประมาณ 256KB แม้ว่าบางรุ่นจะเพิ่มเป็น 1MB
แคชขนาดเล็กนี้มีจุดประสงค์สองประการ มีทั้งแคชคำสั่งและแคชข้อมูล แคชคำสั่งเกี่ยวข้องกับการดำเนินการที่ CPU ต้องดำเนินการ และแคชข้อมูลจะเก็บข้อมูลที่กระบวนการต้องทำ
ถัดมาเป็นแคช L2 L2 ทำงานช้ากว่าและเก็บข้อมูลได้มากกว่า L1 ประกอบด้วยข้อมูลระหว่าง 256K ถึง 8MB ซึ่งคอมพิวเตอร์มักจะต้องเข้าถึงเป็นลำดับถัดไป
สุดท้ายเราเห็นแคช L3 เป็นแคชที่ใหญ่ที่สุดและช้าที่สุด โดยจัดเก็บได้ทุกที่ตั้งแต่ 4MB ถึง 50MB
แคชทำงานอย่างไร
เมื่อโปรแกรมเริ่มทำงานบนคอมพิวเตอร์ของคุณ ข้อมูลจะไหลจาก RAM ไปยังแคช L3 จากนั้นไปที่ L2 และสุดท้ายไปที่ L1 ในขณะที่โปรแกรมกำลังทำงาน ซีพียูจะค้นหาข้อมูลที่จำเป็นในการรัน โดยเริ่มต้นในแคช L1 และทำงานย้อนกลับจากที่นั่น หาก CPU พบข้อมูลที่จำเป็น จะเรียกว่าการชนของแคช หากไม่พบข้อมูลที่ต้องการ แสดงว่าแคชหายไป และคอมพิวเตอร์ต้องไปที่อื่นเพื่อค้นหาข้อมูลที่ต้องการ
เวลาแฝงเป็นปัจจัยสำคัญในประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ เวลาแฝงเป็นเวลาที่จำเป็นสำหรับการดึงข้อมูลบางส่วน แคช L1 นั้นเร็วที่สุด ดังนั้นจึงมีเวลาแฝงต่ำสุด เมื่อแคชพลาดเกิดขึ้น เวลาแฝงจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากคอมพิวเตอร์ต้องค้นหาในแคชต่างๆ ต่อไปเพื่อค้นหาข้อมูลที่ต้องการ
คอมพิวเตอร์รุ่นใหม่กว่ามีขนาดทรานซิสเตอร์ของ CPU ที่เล็กกว่ามาก ทำให้สามารถสร้างบอร์ดที่มีพื้นที่มากขึ้นสำหรับวางแคชโดยตรง การวางแคชไว้ใกล้กับ CPU จริงจะช่วยลดเวลาในการตอบสนอง
แม้ว่าแคชจะไม่ใช่สิ่งที่ผู้ขายคอมพิวเตอร์มักพูดถึง แต่ก็ควรค่าแก่การตรวจสอบ แคชที่เร็วขึ้นจะมีเวลาแฝงน้อยลง ทำให้โปรแกรมของคุณทำงานเร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น
