В современных процессорах встроенный кэш играет еще более важную роль, поскольку часто является единственным типом памяти во всей системе, который может работать синхронно с процессором. В большинстве современных процессоров используется множитель тактовой частоты, следовательно, они работают на частоте, в несколько раз превышающей тактовую частоту системной платы, к которой они подключены. Например, частота (2,8 ГГц) процессора Pentium 4 в 5,25 раза больше частоты шины системной платы, составляющей 533 МГц. Основная память работает на половинной частоте шины (266 МГц), поскольку в Pentium 4 применяется шина памяти с учетверенной подкачкой. Поскольку основная память
подключена к системной плате, ее максимальная тактовая частота ограничена значением 266 МГц. На частоте 2,8 ГГц работает только кэш-память первого и второго уровней, встроенная в ядро процессора. В данном случае процессор Pentium 4, работающий на частоте 2,8 ГГц, имеет 20 Кбайт кэш-памяти первого уровня (8 Кбайт — кэш данных, 12 Кбайт — кэш трассировки выполнения) и 512 Кбайт кэш-памяти второго уровня. Кэш-память обоих уровней работает на полной частоте ядра процессора.
Если данные, необходимые процессору, находятся уже во внутренней кэш-памяти, то задержек не возникает. В противном случае центральный процессор должен получать данные из кэш-памяти второго уровня или (в менее сложных системах) из системной шины, т.е. непосредственно из основной памяти.
Как работает кэш-память первого уровня
Для того чтобы разобраться с принципами работы кэш-памяти первого и второго уровней, рассмотрим следующую аналогию.
Герой нашей истории (в данном случае — вы), вкушающий различные яства, выступает в роли процессора, который извлекает необходимые данные из памяти и проводит их обработку. Кухня, на которой готовятся ваши любимые блюда, представляет собой основную оперативную память (SIMM/DIMM). Официант является кэш-контроллером, а стол, за которым вы сидите, выступает в качестве кэш-памяти первого уровня. Роль кэш-памяти второго уровня выполняет тележка с заказанными блюдами, неспешно путешествующая между кухней и вашим столом.
Роли распределены, пора начинать нашу историю. Ежедневно примерно в одно и то же время вы обедаете в определенном ресторане. Входите в обеденный зал, садитесь за столик и заказываете, например, хот-дог. Для того чтобы сохранить соответствие событий, предположим, что средняя скорость поглощения пищи равна одному биту в четыре секунды (цикл процессора 233 МГц составляет около 4 нс). А также определим, что повару (т.е. кухне) для приготовления каждого заказанного блюда потребуется 60 с (значит, скорость основной памяти 60 нс).
Таким образом, при первом посещении ресторана вы садитесь за столик и заказываете хот-дог, после чего приходится ждать целых 60 секунд, пока приготовят заказанное блюдо. Когда официант наконец-то приносит заказ, вы не спеша, со средней скоростью, принимаетесь за еду. Быстренько доев хот-дог, подзываете к себе официанта и заказываете гамбургер. Пока его готовят, вы снова ждете те же 60 секунд. Принесенный гамбургер съедается с той же скоростью. Подобрав последние крошки, снова зовете официанта и заказываете уже котлеты "по-киевски". После 60-секундного ожидания принесенное блюдо съедается с аналогичной скоростью. Затем вы решаете заказать на десерт, скажем, яблочный пирог. Заказанный пирог вы получаете после ставшего привычным 60-секундного ожидания. Одним словом, обед состоит главным образом из длительных ожиданий, которые перемежаются энергичным поглощением заказываемых блюд.