حصرياً المراجعه الكامله عن الذاكرة المخبأه ووظيفتها وكيف تعمل

**Sherif.Attia** · 22-07-2014, 13:56

السلام عليكم أحبائى الكرام زوار وأعضاء منتدانا الغالى عرب هاردوير
سنتحدث اليوم عن أهم ما هو مهم بجهاز الحاسب الآلى وهو الذاكرة المخبأه ووظيفتها والفرق بين الـ Memory & Cash Memory

أولاً :- المقصود بالذاكره المخبأه

هي ذاكرة صغيرة جداً وسريعة جداً وتتواجد في المعالج نفسه أو بين المعالج والذاكرة الرئيسية للحاسوب والهدف الرئيسي منها هو تسريع عام للحاسب الآلى
سمّيت الذاكرة المخبأة باسم Cache من الفعل الفرنسي Cacher ومعناه يخبأ أو يخفي وسبب ذلك أن الوصول لهذه الذاكرة غير متاح للبرامج والتطبيقات بشكل مباشر في المعتاد حيث يتولي المعالج وضع البيانات بنفسه في هذه الذاكرة
تستخدم الذواكر المخبأة أيضا في الربط بين الذواكر ذات الأوساط المختلفة مثل الربط بين القرص الصلب Hard Disk والذاكرة العشوائية RAM
فالقرص الصلب هنا بطئ جداً والذاكرة العشوائية سريعة للغاية بالمقارنة وعادة ما تنشأ نقاط إختناق عند نسخ البيانات من القرص الصلب الي الذاكرة العشوائية بسبب فرق السرعة الشاسع بينهما
لذا توضع ذاكرة مخبأة عالية السرعة Cache في كل قرص صلب حيث تسجل فيها البيانات التي يتوقع أن يطلبها المستخدم إضافة للبيانات التي يتكرر طلبها
وعندما تحتاج الذاكرة العشوائية هذه البيانات فإنها تستخرجها من الذاكرة المخبأة مباشرةً ولا تنتظرها أبداً من القرص الصلب

ثانياً :- وظيفة الذاكرة المخبأه

جميعنا نعرف أن المعالج هو أسرع وحدة بداخل الحاسوب وعندما يطلب المعالج بعض البيانات من إحدى وحدات الحاسوب الأخرى من الذاكرة العشوائية (RAM) والتي هي أبطأ من المعالج بالطبع
فإن المعالج عليه الإنتظار حتى تنتهي الذاكرة العشوائية من عملها وترسل إليه البيانات التي طلبها وعلى ذلك فإن المعالج يهدر الكثير من الوقت في إنتظار الوحدات الأخرى حتى تنتهي من عملها وترسل له البيانات التي طلبها
هنا يأتي دور الذاكرة المخبأة فعندما يحتاج المعالج إلى بيانات فإنه يقوم أولا بالبحث عنها داخل الذاكرة المخبأة فإذا وجدها فأيخذها من الذاكرة المخبأة وهذا أسرع بكثير طبعاً
وتسمى هذه العملية بإصابة الهدف (cache hit) وإذا لم يجدها فتسمى بفقدان الهدف (cache miss) وفي هذه الحالة يجب على المعالج طلب البيانات من الذاكرة الرئيسية والإنتظار حتى يتم إرسال البيانات له

ثالثاً :- طريقة عمل الذاكره المخبأه

عندما يحاول المعالج الوصول إلى موقع ما تختبر الذاكرة المخبأة أولا فإذا كانت محتويات هذا الموقع موجودة في الذاكرة المخبأة تقرأ منها دون الرجوع إلى الذاكرة الرئيسية
أما إذا لم تكن المعلومات موجودة في الذاكرة المخبأة فتولد إشارة خطأ تستدعي الرجوع إلى الذاكرة الرئيسية ويتعلق أداء الذاكرة المخبأة بإحتمال وجود المعلومات المطلوبة فيها بالإستراتيجية المتبعة لتنظيم المعلومات التي تحتويها في أي لحظة
أما بالنسبة للكتابة فتكتب في الذاكرة الرئيسية وهناك تشابه ملحوظ بين مفهومي الذاكرة المخبأة والذاكرة الظاهرية لكن هناك فروقاً هامة في كيفية إدارة كل منهما
لإن نسبة زمن ولوج الذاكرة الثانوية إلى زمن ولوج الذاكرة الرئيسية حوالى الـ 10000 أما نسبة زمن ولوج الذاكرة الرئيسية إلى زمن ولوج الذاكرة المخبأة فهي حوالي الـ 10 فبالنتيجة فإنه خطأ الصفحة في الذواكر الظاهرية مكلف جداً أما خطأ الذاكرة المخبأة فهو أقل كلفة بكثير

فيتم نقل المعلومات بين الذاكرة الرئيسية والذاكرة المخبأة على شكل كلمات منفصلة أو كتل صغيرة تحتوي عدة كلمات
أما في أنظمة الذاكرة الظاهرية فتنقل المعلومات على شكل صفحات ومن الشائع أن تتضمن الصفحة 1000 كلمة
من المقبول إستخدام البرمجيات لإدارة عملية نقل المعلومات بين المستويات المختلفة في الذاكرة الظاهرية إذ لا تشكل أزمة تنفيذ مثل هذه البرمجيات عائقاً في وجه أداء الذاكرة الظاهرية
أما بالنسبة للذاكرة المخبأة فتحقق كل إجراءات إدارة عمليات نقل المعلومات على شكل إلكتروني (HARDWARE) أو بإعتماد التحكم بواسطة برامج صغيره مثل (Micro-programmed control)
فهنا لا يقتصر إستخدام الذواكر المخبأة على تخزين المعطيات فقط بل تستخدم أيضا لتخزين التعليمات التي ينفذها المعالج فى الوضع الحالى فعند تنفيذ المعالج لحلقة تعليمات (loop) يمكن وضع هذه التعليمات في الذاكرة المخبأة والإستغناء عن الرجوع إلى الذاكرة الرئيسية طيلة فترة تنفيذ الأمر

رابعاً :- إنسجام الذواكر المخبأه

تضم بعض الأنظمة عدداً من المعالجات لكل منها ذاكرة مخبأة خاصة به في مثل هذه الحالة قد يتواجد عنصر المعطيات في أكثر من وحدة ذاكرة مخبأة وبالتالي فعندما تعدل قيمة عنصر المعطيات هذا في إحدى الذواكر يجب إجراء التعديل على كل الذواكر المخبأة التي تحتوي على نفس العنصر ويمكن تحقيق ذلك بطريقتين هما :-
1 - بروتوكول الترابط (Coherence protocol)
أ- إذا صادف المعالج أثناء محاولة قراءة عنصر معطيات حالة فقدان في ذاكرته الخاصة عليه أن يستجوب كل الذواكر المخبأة الأخرى للتحقق إذا كانت واحدة منها تحتوي على أحدث قيمة لعنصر المعطيات فإذا كانت إثنتان أو أكثر من هذه الذواكر تحوي عنصر المعطيات يجب أن تعيد كلها القيمة نفسها وهذا بفرض أن الإنسجام بين الذواكر المخبأه بالفعل موجود
ب - عند كتابة أي عنصر معطيات في الذاكرة الرئيسية سواء وجد أم لم يوجد في الذاكرة المخبأة المحلية يجب تحديث كل الذواكر الأخرى التي تحتوي على هذا العنصر بالطبع يمكن إما أن يتم تحديث قيمة العنصر أو حذفه ببساطة لكونه لم يعد صحيحاً
2 - البروتوكول المعدل (Modified protocol)
إذا كان عنصر المعطيات موجوداً في ذاكرة واحدة فقط فلن يكون ضرورياً تعميم عملية الكتابة لتشمل بقية الذواكر المخبأة يمكن إذً تعديل البروتوكول السابق ليصبح أكثر فاعلية بالطريقة التالية :-
1- عندما يجلب المعالج عنصر معطيات إلى الذاكرة المخبأة يربط به علامة حصر الاستخدام (Exclusive tag)
2- عندما يقوم معالج آخر بالتعامل مع العنصر نفسه تلغى إشارة حصر الاستخدام
3- عند الكتابة ينفذ أحد إجراءين هما :-
(أ) يقوم المعالج الذي يباشر عملية الكتابة بإضافة علامة حصر استخدام العنصر بالذاكرة المخبأة الخاصة به وتقوم الذواكر الأخرى بحذف قيمة العنصر القديمة إذا كانت موجودة ففي هذه الحالة تقتصر العملية على إرسال عنوان الموقع دون إرسال القيمة الجديدة
(ب) عند تلقي الذواكر لإشارة الكتابة تقوم كل منها بتفحص محتوياتها فإذا كانت تحتوي هذا العنصر تقوم بتحديثه وتلغي علامة حصر الاستخدام وتُعلم المعالج الذي بدأ الكتابة أن لديها نسخة من العنصر وبالتالي يقوم هذا المعالج بإلغاء علامة حصر إستخدام العنصر أما إذا لم يتلق المعالج أي إعلام فيضع علامة حصر استخدام العنصر

خامساً :- من ما تتكون الذاكره المخبأه

تتكون الذاكرة المخبأة من أكثر من مستوى Levels
المستوى الأول (L1 cache)
وهو الأسرع وعادةً يكون مكانه داخل المعالج وليس على اللوحة الأم وبالتالي يكون سرعته بنفس سرعة المعالج
المستوى الثاني (L2 cache)
وهو أقل سرعة من المستوى الأول ويكون مكانه على حسب نوع المعالج فبعض المعالجات يكون المستوى الأول والثاني فيها مبنيا داخل المعالج نفسه ويكون لديها مستوى ثالث (L3 cache) مكانه بين المعالج والذاكرة الرئيسية للحاسوب وأحيانا يكون المستوى الأول فقط المتواجد داخل المعالج والمستوى الثاني يكون بين المعالج والذاكرة الرئيسية
كما أنه توجد داخل أجهزة الحاسوب العديد من الوحدات التي تعتمد على نظام الذاكرة المخبأة للإسراع في أدائها عندما يطلب منها الإتصال بوحدة أبطأ منها مثل القرص الصلب فهو يحتوي على ذاكرة مخبئية أيضا

وأخيراً الفرق بين Memory & Cash Memory

فكلاهما ذاكرة أي مكان لتخزين البيانات ثم إستعادتها في وقت لاحق
ما يميز الذاكرة المخبأة Cache Memory عن الذاكرة العادية أنها تستخدم في إستخدامات مؤقتة وليست دائمة مثل أن يتم فيها تخزين البيانات القادمة التي يتوقع أن يتم طلبها فيها أو البيانات التي تستخدم بكثرة أو البيانات التي أصبحت جاهزة حاليا
تخدم هذه الوظائف غرض تقليل زمن التأخير فعندما يطلب المعالج البيانات من الذاكرة العادية فإنه لا يحصل عليها في الحال ولكن بعد فترة من الزمن حيث عادة ما تكون سرعة الذاكرة العادية أبطأ كثيراً من سرعة المعالج نفسه إضافة الي محدودية التعامل بين المعالج والذاكرة العادية بسبب ضعف القدرة التوصيلية بينهما لكثرة عدد الأسلاك أو بسبب السرعة كما ذكرنا
هنا تظهر فائدة الذاكرة المخبأة فهي عادة ما تتواجد بالقرب من المعالجات وتعمل بسرعات مماثلة لها كما تحتوي علي قدرة توصيلية أعلي وهذا يقلل بشدة من زمن التأخير مما يعطي المعالج فرصة الوصول للبيانات التي يرغب فيها بسرعة وبالتالي يزيد الأداء أثناء عملية المعالجة
فقد سمّيت الذاكرة المخبأة باسم Cache من الفعل الفرنسي Cacher ومعناه يخبأ أو يخفي وسبب ذلك أن الوصول لهذه الذاكرة غير متاح للبرامج والتطبيقات بشكل مباشر حيث يتولي المعالج وضع البيانات بنفسه في هذه الذاكرة
مصدر0
مصدر1
مصدر2

وفى نهاية الموضوع أتمنى أن يكون قد نال إعجابكم وتمت الإستفاده منه
دمتم فى رعاية الله
منتديات عرب هاردوير