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So funktioniert der Cache einer CPU

08.07.2019 | 09:02 Uhr |

Einer der wichtigsten Bestandteile eines Prozessors ist der Zwischenspeicher, der auch Cache genannt wird. Wofür ist er eigentlich zuständig und wie funktioniert er genau?

In den Achtzigerjahren wurden Mikroprozessoren stets schneller, während die Speicherzugriffszeiten stagnierten und zusätzliche Leistungssteigerungen behinderten. Deshalb musste etwas unternommen werden, um den Zugriff auf den Speicher zu beschleunigen und das gesamte System damit effizienter arbeiten zu lassen. Die Diskrepanz zwischen der Rechen- und der Speichergeschwindigkeit führte dann letzten Endes zur Entwicklung des Cache.

Im Grunde genommen handelt es sich beim Cache um eine schnelle Speicherart. Er enthält einen kleinen Speicherbereich mit den Befehlen, die der Rechner höchstwahrscheinlich als Nächstes benötigt, wenn er bestimmte Aufgaben ausführen soll. Das System lädt diese Informationen mithilfe komplexer Algorithmen in den Cache. Der Hauptzweck eines Cache-Systems besteht darin sicherzustellen, dass der Prozessor unmittelbaren und sofortigen Zugriff auf die benötigten Daten in der richtigen Reihenfolge hat.

Der Cache sorgt dafür, dass der Prozessor benötigte Daten schnell und in der richtigen Reihenfolge erhält. Tools wie CPU-Z listen die verschiedenen Cache-Level mit ihren Kapazitäten übersichtlich auf.
Vergrößern Der Cache sorgt dafür, dass der Prozessor benötigte Daten schnell und in der richtigen Reihenfolge erhält. Tools wie CPU-Z listen die verschiedenen Cache-Level mit ihren Kapazitäten übersichtlich auf.

Um die Arbeitsweise zu verstehen, muss man zunächst einmal wissen, dass PCs mit drei verschiedenen Speichertypen arbeiten: Den Anfang macht der primäre Speicher in Form einer Festplatte (HDD) oder SSD (Solid State Disk). Hierbei handelt es sich um den Speicher mit der größten Kapazität. Dann kommt der Arbeitsspeicher (RAM), der zwar um einiges schneller, jedoch auch kleiner ist als der primäre Speicher. Zu guter Letzt gibt es ebenfalls Speicher innerhalb des Prozessors – eben den Cache. Er ist der Speichertyp, der am schnellsten arbeitet.

Sobald ein Programm startet, führt es eine Serie von Befehlen aus, die sich im Code der Software finden lassen. Diese Befehle lädt das Programm zuerst in das RAM, von dort aus werden sie in die CPU transferiert. Für eine bestmögliche Ausführung dieser Befehle benötigt der Prozessor einen sehr flotten Speicher – genau hier kommt der Cache ins Spiel.

Innerhalb des Prozessors existieren mit L1, L2 und L3 drei verschiedene Cache-Level. Einige Unternehmen feilen sogar bereits am Level-4-Cache. Der L1 ist der schnellste, aber auch der kleinste Zwischenspeicher. Dieser enthält die Daten, die die CPU braucht, um die benötigten Anweisungen auszuführen. In der Regel ist er nur 256 Kilobyte groß. Allerdings gibt es auch einige Modelle mit bis zu einem Megabyte Kapazität. Der L1-Cache erfüllt einen doppelten Zweck, da er sowohl einen Befehls- als auch einen Daten- Cache enthält. Ersterer befasst sich mit den Operationen, die die CPU ausführen muss. Letzterer stellt die Informationen darüber bereit, wie der Prozess ausgeführt werden muss.

Der CPU-Cache hat starken Einfluss darauf, wie effizient das gesamte System arbeitet. Deshalb sollten Sie wissen, wie die unterschiedlichen Level funktionieren.
Vergrößern Der CPU-Cache hat starken Einfluss darauf, wie effizient das gesamte System arbeitet. Deshalb sollten Sie wissen, wie die unterschiedlichen Level funktionieren.

Die nächste Stufe ist der L2-Cache, der etwas langsamer als der erste Cache arbeitet, dafür aber mehr Informationen vorhalten kann. Er bietet in der Regel eine Kapazität von 256 Kilobyte bis zu 8 MB. Der L2 enthält die Daten, auf die der Prozessor mit hoher Gewissheit als Nächstes zugreifen muss.

Den Abschluss bildet dann der L3-Cache. Dieser ist der größte, aber im Vergleich auch langsamste der Speicher-Cache-Level und kann zwischen 4 und 50 MB an Daten speichern.

Zur Funktionsweise: Sobald nun ein Programm startet, fließen die Daten vom RAM in den L3-, danach in den L2- und letztendlich in den L1-Cache. Während das Programm läuft, holt sich die CPU die Informationen für ihre Arbeit zuerst aus dem L1-Cache. Von dort aus arbeitet sie sich stufenweise durch die Cache-Level. Wenn die CPU die benötigte Information findet, so nennt man dies im Fachjargon einen „Cache Hit“. Ist die Information jedoch nicht innerhalb der Cache-Speicher vorhanden, passiert ein „Cache Miss“. Als Folge davon muss der Computer an anderer Stelle nach den Daten suchen.

Hier kommt nun die Latenz ins Spiel: Sie ist ein wichtiger Faktor, wenn es um die Effizienz eines PCs geht. Als Latenz wird diejenige Zeit bezeichnet, die vergeht, um eine Information abzurufen. Der L1-Cache ist der schnellste Zwischenspeicher. Er kann aus diesem Grund mit der geringsten Latenz aufwarten. Tritt allerdings ein Cache Miss auf, steigt die Latenz, weil der Prozessor die nächsten Cache-Stufen durchsuchen muss, um seine Befehle zu finden.

Aktuelle Rechner sind mit CPUs ausgestattet, die überaus kleine Transistoren eingebaut haben. Das erlaubt mehr Platz auf der Chipfläche sowie eine direkte Integration der Cache-Speicher darauf. Diese physische Nähe zur CPU reduziert die Latenzzeit noch weiter.

Obwohl der Cache nicht unbedingt eine Angabe ist, auf die der Computerverkäufer Sie hinweist, sollten Sie ihr etwas Aufmerksamkeit schenken. Denn ein schneller Cache gewährleistet, dass Programme flotter laufen und das System insgesamt effizienter arbeitet. 

Tipp: Hardware-Upgrade: Neue CPU oder neue Grafikkarte?

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