في 1980s تم زيادة سرعة المعالجات بأضعاف عند مقارنتها بأوقات الوصول إلى الذاكرة. سرعان ما أصبح واضحا أنه لا بد من عمل شيء ما لتحسين السرعة التي يمكن الوصول إليها بالذاكرة وجعل النظام بأكمله أكثر كفاءة. أدت هذه التناقضات بين سرعة المعالجة وسرعة الذاكرة إلى تطوير ذاكرة التخزين المؤقت.
ما هي ذاكرة التخزين المؤقت
كان اختراع ذاكرة التخزين المؤقت أحد أهم الأحداث في تاريخ علوم الكمبيوتر. ولكن ما هي بالضبط ذاكرة التخزين المؤقت؟ كيف تعمل؟
في المستوى الأساسي ، تكون ذاكرة التخزين المؤقت نوعًا سريعًا من الذاكرة. يحتوي على مجموعة صغيرة من الذاكرة تحتوي على إرشادات يحتاجها الكمبيوتر على الأرجح عند القيام بمهمة معينة. يقوم الكمبيوتر بتحميل هذه المعلومات في ذاكرة التخزين المؤقت باستخدام خوارزميات معقدة ومعرفة البرمجة. الغرض من وجود نظام ذاكرة التخزين المؤقت في الكمبيوتر هو التأكد من أن وحدة المعالجة المركزية لديها حق الوصول دون عوائق إلى البيانات التي تحتاجها في الترتيب الذي تحتاج إليه.
لمعرفة كيف تعمل هذه ، تحتاج إلى معرفة أن أجهزة الكمبيوتر تحتوي على ثلاثة أنواع من الذاكرة. أولًا ، توجد الذاكرة الأساسية في محرك الأقراص الثابتة أو محرك الأقراص ذي الحالة الثابتة. هذا هو أكبر مستودع للذاكرة في الجهاز. ثم هناك ذاكرة الوصول العشوائي RAM أو Random Access ، وهي أسرع ، ولكنها أصغر ، من جهاز الذاكرة الأساسية. وأخيرا ، هناك وحدات الذاكرة داخل وحدة المعالجة المركزية نفسها ، والمعروفة باسم cache. ذاكرة التخزين المؤقت هي الأسرع من جميع أنواع الذاكرة.
عند إطلاق أحد البرامج ، يبدأ هذا البرنامج بتنفيذ سلسلة من الإرشادات الواردة في شفرة البرنامج. يتم تحميل هذه المعلومات أولاً إلى ذاكرة الوصول العشوائي ثم تنتقل إلى وحدة المعالجة المركزية. للحصول على أفضل استخدام للبيانات لتنفيذ الإرشادات ، تحتاج وحدة المعالجة المركزية إلى ذاكرة عالية السرعة. هذا هو المكان الذي تأتي فيه ذاكرة التخزين المؤقت.
مستويات ذاكرة التخزين المؤقت
داخل وحدة المعالجة المركزية ، هناك ثلاثة مستويات مختلفة من ذاكرة التخزين المؤقت: L1 ، L2 ، و L3. تعمل بعض الشركات حتى على cache L4.
ذاكرة التخزين المؤقت L1 هي الأسرع والأصغر من الثلاثة. تحتوي على البيانات التي تحتاجها وحدة المعالجة المركزية على الأرجح لتنفيذ العمليات. تحتفظ L1 عادةً بحوالي 256 كيلوبايت ، على الرغم من أن بعضها دفعها إلى 1 ميغابايت.
تحتوي ذاكرة التخزين المؤقت الصغيرة هذه على غرض مزدوج ، مع وجود كل من ذاكرة التخزين المؤقت للتعليم وذاكرة تخزين بيانات. تتعامل ذاكرة التخزين المؤقت الخاصة بالتعليمات مع العمليات التي يجب على وحدة المعالجة المركزية القيام بها ، كما تحتفظ ذاكرة التخزين المؤقت للبيانات بالمعلومات التي يجب أن تتم بها العملية.
بعد ذلك ، هناك ذاكرة التخزين المؤقت L2. تكون L2 أبطأ وتحمل معلومات أكثر من L1. تحتوي على ما بين 256 كيلوبايت و 8 ميغابايت من البيانات التي من المحتمل أن يحتاج الكمبيوتر إلى الوصول إليها لاحقًا.
وأخيرًا ، نرى ذاكرة L3. وهي أكبر وأبطأ ذاكرة تخزين مؤقت ، حيث يتم تخزينها في أي مكان من 4 ميغابايت إلى 50 ميجابايت.
كيف تعمل ذاكرة التخزين المؤقت
عندما يبدأ برنامج على جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، تتدفق البيانات من ذاكرة الوصول العشوائي إلى ذاكرة التخزين المؤقت L3 ، ثم L2 وأخيرا إلى L1. أثناء تشغيل البرنامج ، تبحث وحدة المعالجة المركزية عن المعلومات التي تحتاجها للتشغيل ، بدءاً من ذاكرة التخزين المؤقت L1 والعمل معكوسًا من هناك. إذا عثرت وحدة المعالجة المركزية على المعلومات المطلوبة ، يطلق عليها اسم “cache hit”. إذا لم تتمكن من العثور على المعلومات التي تحتاجها ، فإنها تفوت ذاكرة التخزين المؤقت ، ويتعين على الكمبيوتر البحث في مكان آخر للعثور على المعلومات التي يحتاج إليها.
Latency هو عامل مهم في كفاءة جهاز الكمبيوتر. Latency هو الوقت اللازم لاسترجاع جزء من المعلومات. ذاكرة التخزين المؤقت L1 هي الأسرع ، وبالتالي فهي تحتوي على أدنى زمن انتقال. عند حدوث فقدان ذاكرة التخزين مؤقت ، يزيد زمن الوصول كما يجب أن يظل الكمبيوتر يبحث في التخزين المؤقت للعثور على المعلومات التي يحتاجها.
تمتلك أجهزة الكمبيوتر الحديثة حجمًا أصغر بكثير من ترانزيستور وحدة المعالجة المركزية مما جعل من الممكن إنشاء لوحة بها مساحة أكبر لوضع ذاكرة التخزين المؤقت عليها مباشرة. حيث يعتبر وضع ذاكرة التخزين المؤقت أقرب إلى CPU يقلل زمن الوصول.
على الرغم من أن ذاكرة التخزين المؤقت ليست شيئًا ما يشير إليه أولئك الذين يبيعون أجهزة الكمبيوتر كثيرًا ، إلا أنه أمر يستحق التدقيق فيه. سيكون التخزين المؤقت أسرع لأقل Latency، مما يجعل تشغيل برامجك أسرع وأكثر كفاءة.
