Trung tâm đào tạo thiết kế vi mạch Semicon

Login

Username: Password:

Forgot your password? Forgot your username?
ĐĂNG KÝ TÀI KHOẢN ĐỂ TRUY CẬP NHIỀU TÀI LIỆU HƠN!

Create an account

Skip to content

Bộ nhớ cache của CPU

Saturday, 20 July 2019 18:17 Semicon Editor 01

Ngày nay, tốc độ hoạt động của CPU tăng nhanh hơn so với việc tăng tốc độ của bộ nhớ ngoài, nên các chip vi xử lý hiện nay đều sử dụng cache để tăng hiệu suất của CPU.

Hoạt động của bộ nhớ cache: do tốc độ đáp ứng dữ liệu của bộ nhớ ngoài chậm hơn CPU nhiều lần, bộ nhớ cache sẽ được nạp sẵn một vùng bộ nhớ chính. Khi CPU có yêu cầu dữ liệu, nếu nó tìm thấy trong bộ nhớ cache (trường hợp này gọi là hit) thì nó trả giá trị chứa trong ô nhớ đó cho CPU. Nếu không tìm thấy ô nhớ đó trong bộ nhớ cache (trường hợp này gọi là miss), nó sẽ phải chờ để đọc trực tiếp từ bộ nhớ chính (thời gian trễ gấp vài chục lần so với đọc từ cache).

Thường thì chỉ có bộ nhớ cache Level 1 (L1) và Level 2 (L2). Các vi xử lý đa nhân còn có thêm cả cache L3. So về tốc độ đáp ứng thì L1 > L2 > L3 còn kích thước thì ngược lại.

Vấn đề chậm nhanh của của các bộ nhớ phụ thuộc lớn vào kích thước của các mạch chọn hàng và chọn cột để lấy ra một ô nhớ. Khi bộ nhớ lớn thì mạch này sẽ lớn và tốc độ trả dữ liệu ngõ ra sẽ chậm. Đối với cache mức L1 thì cần phải thực hiện nhanh để đáp ứng nhanh cho hoạt động đọc ghi dữ liệu nên phải nhỏ. Còn các cấp tiếp theo sẽ có kích thước lớn để tăng tỉ lệ 'hit' và giảm số lần phải ra bus lấy dữ liệu, qua đó giảm độ trễ cho các lệnh đọc/ghi.

Tác dụng của bộ nhớ cache: khi số lần truy xuất bộ nhớ tăng lên, nếu có bộ nhớ cache sẽ giảm thời gian CPU để đọc dữ liệu từ bộ nhớ ngoài. Chú ý là trong thời gian chờ này thì CPU không thực hiện bất kỳ tác vụ nào khác điều này làm giảm đáng kể hiệu suất. Bộ nhớ cache cho tốc độ hoạt động cao nên giá thành rất đắt và chiếm diện tích lớn trên chip. Vì vậy các bộ nhớ cache thường có kích thước nhỏ. Với chip vi xử lý có cùng kiến trúc thì chip nào có bộ nhớ cache lớn hơn sẽ xử lý nhanh hơn.

Để dễ hình dung về kích thước của bộ nhớ cache trong một chip, hình bên dưới là kết quả layout của một chip có hai nhân. Nhìn hình ta có thể thấy, hơn 50% diện tích của chip là bộ nhớ cache.

Khi công nghệ chế tạo các transistor càng nhỏ hơn thì dung lượng của cache tích hợp trong các chip càng lớn. Và đó là 1 trong những lý do thúc đẩy việc nghiên cứu để thu nhỏ kích thước của transistor.