Tìm hiểu cách làm việc của bộ nhớ Cache (Phần 1)

Bộ nhớ Cache là kiểu bộ nhớ tốc độ cao có bên trong CPU để tăng tốc
độ truy cập cho dữ liệu và các chỉ lệnh được lưu trong bộ nhớ RAM.
Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ giới thiệu cho các bạn về cách làm
việc của bộ nhớ này theo cách dễ hiểu nhất.

Một máy tính sẽ hoàn toàn vô dụng nếu bạn không bắt bộ vi xử lý (CPU)
thực hiện một nhiệm vụ nào đó. Công việc sẽ được thực hiện thông qua một
chương trình, chương trình này lại gồm rất nhiều các chỉ lệnh để ra lệnh cho
CPU làm việc.

CPU lấy các chương trình từ bộ nhớ RAM. Tuy nhiên có một vấn đề với bộ
nhớ RAM đó là khi nguồn nuôi của nó bị cắt thì các thành phần dữ liệu được
lưu trong RAM cũng sẽ bị mất – chính điều này nên một số người nói rằng
bộ nhớ RAM là một môi trường “dễ bay hơi”. Các chương trình và dữ liệu
như vậy phải được lưu trên môi trường không “dễ bay hơi” sau khi tắt máy
tính (giống như các ổ đĩa cứng hay các thiết bị quang như đĩa CD và DVD).

Khi kích đúp vào một biểu tượng trong Windows để chạy một chương trình
nào đó. Các chương trình thông thường được lưu trên ổ đĩa cứng của máy
tính, khi được gọi nó sẽ được nạp vào bộ nhớ RAM sau đó từ bộ nhớ RAM,
CPU nạp chương trình thông qua một mạch có tên gọi là memory controller,
thành phần này được đặt bên trong chipset (north bridge chip- chíp cực bắc)
trên các bộ vi xử lý Intel hoặc bên trong CPU trên các bộ vi xử lý AMD.
Trong hình 1 chúng tôi đã tóm tắt sơ qua nguyên tắc làm việc này (với các
bộ vi xử lý AMD bạn hãy bỏ qua phần chipset đã được vẽ).

Hình 1: Cách dữ liệu được truyền tải đến CPU
CPU không thể tìm nạp dữ liệu trực tiếp từ các ổ đĩa cứng vì tốc độ truy suất
dữ liệu của ổ đĩa cứng là quá thấp với nó, thậm chí nếu nếu bạn có cả ổ đĩa

vấn đề với “L2 memory cache”, chúng tôi sẽ giải thích vấn đề này sau. Tất
cả những gì bạn cần nhớ là bộ nhớ RAM chậm hơn CPU.

Bằng cách đó, tốc độ truyền tải có thể được tính bằng sử dụng công thưc
dưới đây (trong tất cả các ví dụ từ đầu tới giờ, “dữ liệu trên một clock” vẫn
được tính bằng “1”):
[Tốc độ truyền tải] = [Độ rộng (số lượng bít)] x [tốc độ clock] x [dữ liệu
trên một clock] / 8
Vấn đề không chỉ dừng lại ở tốc độ truyền tải mà còn cả độ trễ. Độ trễ (thời
gian truy cập) là lựợng thời gian mà bộ nhớ giữ chậm trong việc chuyển
ngược trở lại dữ liệu mà CPU đã yêu cầu trước đó – điều này không thể thực
hiện được ngay lập tức. Khi CPU yêu cầu chỉ lệnh (hoặc dữ liệu) được lưu
tại một địa chỉ nào đó thì bộ nhớ sẽ giữ chậm một khoảng thời gian để phân
phối lệnh này (hoặc dữ liệu) trở ngược lại. Trên các bộ nhớ hiện nay, nếu nó
được dán nhãn có CL bằng 5 (CAS Latency, đây chính là độ trễ mà chúng ta
đang nói đến) thì điều đó có nghĩa rằng bộ nhớ sẽ cung cấp dữ liệu đã được
yêu cầu sau 5 chu kỳ clock nhớ - nghĩa là CPU sẽ phải chờ đợi.

Việc chờ đợi sẽ làm giảm hiệu suất của CPU. Nếu CPU phải đợi đến 5 chu
kỳ clock để nhận được chỉ lệnh hoặc dữ liệu mà nó đã yêu cầu thì hiệu suất
của nó sẽ chỉ còn 1/5 so với hiệu suất sử dụng bộ nhớ có khả năng cung cấp
dữ liệu tức thời. Nói theo cách khác, khi truy cập bộ nhớ DDR2-800 với
CL5 thì hiệu suất của CPU bằng với hiệu suất của CPU làm việc với bộ nhớ
160 MHz (800 MHz / 5) với khả năng cung cấp dữ liệu tức thời. Trong thế
giới thực, việc giảm hiệu suất không nhiều vì các bộ nhớ làm việc dưới chế
độ có tên gọi là chế độ truyền loạt (burst mode), ở nơi mà dữ liệu được tập
trung lần thứ hai có thể được cung cấp một cách ngay lập tức, nếu dữ liệu
này được lưu trên một địa chỉ nối tiếp nhau (thường thì chỉ lệnh của chương
trình nào đó được lưu trong các địa chỉ liên tục). Điều này được diễn tả bằng
công thức “x-1-1-1” (có nghĩa “5-1-1-1” là cho bộ nhớ dùng trong ví dụ của


Trong bảng dưới đây, chúng tôi có tóm tắt các sự khác nhau chính giữa
RAM động (DRAM) và RAM tĩnh (SRAM).
Tính năng
RAM động
(DRAM)
RAM tĩnh
(SRAM)
Mạch trữ điện
Tụ điện Flip-flop
Tốc độ truyền
tải
Thấp hơn CPU Bằng với CPU
Độ trễ
Cao Thấp
Mật độ
Cao Thấp
Tiêu tốn năng
lượng
Thấp Cao
Giá thành
Rẻ Đắt
Mặc dù Ram tĩnh có tốc độ nhanh hơn RAM động nhưng những nhược điểm
của nó vẫn ngăn cản nó trở thành RAM chính.

Giải pháp đã tìm thấy để giảm sự ảnh hưởng trong việc sử dụng bộ nhớ
RAM chậm hơn CPU là sử dụng một số lượng nhỏ các RAM tĩnh giữa CPU
và bộ nhớ RAM. Công nghệ này được gọi là bộ nhớ Cache và ngày nay có
một số lượng nhỏ bộ nhớ tĩnh này được đặt bên trong CPU.