Der Prozessorcache

Der Cache (spricht sich kæsch) ist ein schneller Puffer-Speicher, der bei heutigen CPUs heute meist im Prozessor integriert ist.

Der Level-1-Cache hält die aktuellen Adressen, Befehle und Zwischenergebnisse auf Vorrat, damit diese nicht langwierig aus „entfernterem“ Speicher aufgerufen werden müssen. Dieser Cache liegt stets direkt im Prozessorkern und hat in der Regel eine Größe von 8 bis 256 KB.

Der Level-2-Cache puffert größere aktuell zu verarbeitete Datenbestände, auch unter Umständen ganze Programmabschnitte. In der günstigsten Anordnung liegt dieser Cache wie der Level-1-Cache auf dem Prozessorchip (on-Die) und wird mit der vollen Prozessortaktrate angesprochen. Der L2-Cache ist meist zwischen 512 und 2048 KB groß. Früher lag der L2-Cache außerhalb der CPU, also anfangs auf dem Mainboard, mit Aufkommen der Cartridge-Technik (Intel Slot 1 für Pentium und Slot 2 für Xeon / AMD Slot A) auf der Prozessor-Platine. Liegt der L2 Cache extern, so muss die Taktrate in der Regel halbiert werden. Ausnahme war hier z.B. der Xeon, für diesen stellte Intel den externe L2-Cache selbs her und konnte die Qualität garantieren. So lief auch der L2-Cache des Xeon mit vollem Prozessortakt. Vorteil der auslagerung des L2-Cache war, daß bei Produktionsfehlern im Cache (der bei heutigen Prozessoren gut zwei Drittel der im Kern liegenden Transistoren ausmacht) nicht der komplette Prozessor unbrauchbar wurde. Heutzutage werden oft Prozessoren mit fehlerhaften Cache als Budgetversion einer Prozessorreihe verkauft (z.B. erste AMD Athlon64-Newcastle-Kerne).

Neben dem L2-Cache, kann eine weitere Stufe, der Level-3-Cache noch einmal eine Beschleunigung des Speicherzugriffs bedeuten.

Da der Cache viel kleiner ist als der langsamere Hauptspeicher, kann er immer nur Teile des Hauptspeichers zwischenspeichern. Zur Vereinfachung der Cache-Verwaltung wird hierzu nicht das kleinste zugreifbare Speicherelement – in der Regel das Byte – gespeichert, sondern immer gleichgroße Gruppen aufeinanderfolgender Speicherelemente, so genannte Blöcke. Bei der Verwaltung des Caches ist es sinnvoll, immer nur die Blöcke im Cache zu halten, auf die auch häufig zugegriffen wird. Zu diesem Zweck gibt es verschiedene Ersetzungsstrategien. Eine häufig verwendete Variante ist dabei die LRU-Strategie (engl. least recently used), welche immer den am längsten nicht mehr zugegriffenen Block im Cache austauscht.

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Dieser Artikel:

Einleitung
RISC und CISC
Der Prozessorcache
Leistung und Taktfrequenz
Erweiterungen des Prozessorbefehlssatzes
Hyperthreading
Leistung und Kühlung
Sockeltypen
Desktop-, Server und Mobil-Prozessoren

Intel-Prozessoren
AMD-Prozessoren

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