کش (Cache) پردازنده یک حافظه بسیار سریع و کوچک است که بین CPU و حافظه اصلی (RAM) قرار دارد و هدف آن ذخیره‌سازی موقت داده‌ها و دستورالعمل‌هایی است که پردازنده احتمالاً در آینده نزدیک به آن‌ها نیاز خواهد داشت. کش‌های پردازنده در سطوح مختلفی سازمان‌دهی می‌شوند: L1، L2 و L3. این سطوح کش هر کدام دارای سرعت، اندازه، و عملکرد متفاوتی هستند.
انواع کش پردازنده:
1. کش L1 (Level 1 Cache):
- تعریف: کش L1 نزدیک‌ترین کش به هسته‌های پردازنده است و معمولاً سریع‌ترین و کوچک‌ترین کش در سیستم است.
- اندازه: اندازه آن معمولاً بین 16 کیلوبایت تا 128 کیلوبایت در هر هسته پردازنده است.
- سرعت: بسیار سریع است زیرا مستقیماً درون هر هسته پردازنده تعبیه شده است. این کش به طور معمول با همان فرکانس پردازنده کار می‌کند.
- تقسیم‌بندی: به دو بخش تقسیم می‌شود:
- Instruction Cache (I-Cache): ذخیره‌سازی دستورالعمل‌های پردازشی.
- Data Cache (D-Cache): ذخیره‌سازی داده‌هایی که پردازنده به آن‌ها دسترسی دارد.
- وظیفه: چون سرعت دسترسی به کش L1 بسیار بالا است، معمولاً برای ذخیره‌سازی داده‌ها و دستورالعمل‌هایی استفاده می‌شود که پردازنده بیشترین نیاز را به آن‌ها دارد.
2. کش L2 (Level 2 Cache):
- تعریف: کش L2 نیز نزدیک به هر هسته پردازنده است، اما از کش L1 بزرگ‌تر و کندتر است. هر هسته پردازنده ممکن است کش L2 اختصاصی خود را داشته باشد.
- اندازه: معمولاً بین 256 کیلوبایت تا 1 مگابایت برای هر هسته است.
- سرعت: سرعت آن کمتر از L1 است اما همچنان بسیار سریع‌تر از حافظه اصلی (RAM) است. این کش معمولاً در هر هسته به صورت مستقل عمل می‌کند.
- وظیفه: کش L2 داده‌هایی را نگهداری می‌کند که کش L1 نمی‌تواند آن‌ها را در خود ذخیره کند. به عبارت دیگر، L2 برای داده‌ها و دستورالعمل‌هایی که پردازنده ممکن است در آینده نزدیک به آن‌ها نیاز داشته باشد، نقش یک حافظه میانجی را بازی می‌کند.
3. کش L3 (Level 3 Cache):
- تعریف: کش L3 بزرگ‌ترین و کندترین کش در میان سطوح کش است. برخلاف کش‌های L1 و L2، کش L3 معمولاً به صورت مشترک بین همه هسته‌های یک پردازنده استفاده می‌شود.
- اندازه: بین 2 مگابایت تا 64 مگابایت یا حتی بیشتر، بسته به معماری پردازنده.
- سرعت: نسبت به L1 و L2 کندتر است، اما همچنان بسیار سریع‌تر از RAM است.
- وظیفه: کش L3 داده‌هایی را که بین چندین هسته به اشتراک گذاشته می‌شوند، نگهداری می‌کند. این کش به هسته‌ها کمک می‌کند تا دسترسی سریع‌تری به داده‌هایی که همگی به آن نیاز دارند، داشته باشند.
تفاوت‌های کش L1، L2 و L3:
| ویژگی | کش L1 | کش L2 | کش L3 |
|---|---|---|---|
| موقعیت | نزدیک‌ترین به هر هسته | نزدیک به هر هسته | مشترک بین همه هسته‌ها |
| اندازه | 16KB تا 128KB | 256KB تا 1MB | 2MB تا 64MB یا بیشتر |
| سرعت | بسیار سریع | سریع | نسبتاً کندتر |
| وظیفه | ذخیره داده‌ها و دستورالعمل‌های بسیار مکرر | ذخیره داده‌هایی که L1 نمی‌تواند نگه دارد | ذخیره داده‌های مشترک بین هسته‌ها |
| تقسیم‌بندی | به دو بخش دستورالعمل و داده تقسیم می‌شود | اختصاصی برای هر هسته | معمولاً به صورت اشتراکی استفاده می‌شود |
نتیجه‌گیری:
کش‌های پردازنده از L1 تا L3 به ترتیب از سریع‌ترین و کوچک‌ترین تا بزرگ‌ترین و کندترین کش‌ها دسته‌بندی می‌شوند. هر سطح از کش با هدف بهینه‌سازی عملکرد پردازنده و کاهش زمان دسترسی به داده‌ها طراحی شده است، و این معماری سلسله‌مراتبی کمک می‌کند تا پردازنده بتواند سریع‌تر و با کارایی بیشتری به داده‌های مورد نیاز دسترسی پیدا کند.