Was ist der Cache beim Computer ?

Der Cache-Speicher des Computers ist Bestandteil des Prozessors (CPU). Er ist ein schneller Zwischenspeicher, welcher Informationen für den Computer bereitstellt, die er wahrscheinlich als nächstes benötigt. Im Lenovo Campus wird Ihnen auch erklärt was eine CPU bedeutet. Dadurch hat die CPU direkten Zugriff auf benötigte Informationen und das in der richtigen Reihenfolge. Dadurch kann das gesamte System schneller arbeiten. Um die Funktion des Caches genauer beleuchten zu können, muss man zunächst die verschiedenen Speichersysteme eines PCs erläutern:

Die Speichertypen eines PCs

• Der primäre Speicher in Form einer Festplatte (HDD) oder SSD (Solid State Disk), dieser hat die größte Kapazität, arbeitet aber auch am langsamsten
• Der Arbeitsspeicher (Ram), welcher weniger Kapazität als der primäre Speicher hat, aber auch schneller arbeitet
• Der Cache, ein Arbeitsspeicher innerhalb des Prozessors, dies ist der schnellste Speicher von allen

Bei der Ausführung eines Programms werden verschiedene Befehle ausgeführt, welche zunächst in den Arbeitsspeicher geladen werden und anschließend in die CPU. Zur Ausführung dieser Befehle wird dann ein schneller Speicher gebraucht, in diesem Fall die Cache.

Der Aufbau der Cache

Der Cache besteht grundsätzlich aus drei verschiedenen Cache Leveln, L1, L2 und L3.

Wie auch bei den Speichertypen eines PCs, haben die Level unterschiedliche Kapazitäten und Arbeitsgeschwindigkeiten.

L1-Cache

Der L1-Cache hat die geringste Kapazität, aber ist auch der schnellste Cache. Dieser enthält Daten darüber, wie der gesamte Prozessor arbeiten muss und Befehle, welche die CPU ausführen muss.

L2-Cache

Der L2-Cache hat einen etwas größeren Speicher als der L1-Cache, arbeitet dafür aber auch etwas langsamer als dieser. Er speichert Daten, die vom Prozessor mit hoher Wahrscheinlichkeit als nächstes abgerufen werden müssen.

L3-Cache

Der langsamste, aber auch größte Cache, ist der L3-Cache. Dieser besitzt in der Regel eine Speicherkapazität von 4 bis 50MB.

Die Zwecke eines Caches

1. Reduzierung der nötigen Zugriffe auf den Hauptspeicher
2. Schnellere Ausführungszeit von Programmen
3. Die allgemeine Leistungsfähigkeit des Computers verbessern
4. Kostenminimierung, da keine schnelle Anbindung an den Hauptspeicher mehr nötig ist
5. Reduzierung der Last auf das gesamte System, da der Cache Daten besonders schnell ausliefern kann, ohne das weitere Zugriffe auf andere Speicher nötig sind

Die Funktionsweise der verschiedenen Caches

Wie bereits bei den Speichertypen des PCs beschrieben, fließen die Daten beim Start eines Programms von dem RAM in die CPU. Genauer genommen zunächst in den L3-Cache, dann in den L2-Cache und schließlich in den L1-Cache der CPU. Wenn das Programm läuft, werden die Daten dagegen zunächst aus dem L1-Cache abgerufen und dann arbeitet sich die CPU in den verschiedenen Cache-Leveln nach oben. Dabei geschehen immer wieder „Cache-Hits“, dabei findet die CPU die benötigte Information in dem Cache. Bei einem „Cache-Miss“ wird die benötigte Information nicht im durchsuchten Cache gefunden und muss in anderen Cache-Leveln gesucht werden oder im Hauptspeicher. Dadurch entsteht eine Latenz, da in anderen Speichern nach der Information gesucht werden muss.