Bu yazı, bilgisayar sistemlerinde önbelleğin organizasyonunu ve işleyişini kapsamakta, nasıl yapılandırıldığını ve performansı artırmadaki kritik rolünü vurgulamaktadır. Burada önbelleğin nasıl bölündüğünü, önbellek işlemini, ölçümünü ve sistem içerisinde nerede bulunduğunu ele alacağız. Bu makalede size önbellek organizasyonunun çeşitli yönlerini öğreteceğiz.
Önbellek nasıl düzenlenir?
Önbellek, CPU ile ana bellek arasındaki veri erişim hızını optimize edecek şekilde düzenlenir. Yerellik ilkesine göre çalışır; bu, programların, verilerin nispeten küçük bir kısmına kısa süreler boyunca tekrar tekrar erişme eğiliminde olduğunu öne sürer.
Temel Organizasyonel Unsurlar:
- Önbellek Düzeyleri: Önbellek genellikle her biri farklı boyut ve hızlara sahip birden çok düzeyde (L1, L2, L3) düzenlenir. L1 en hızlı ve en küçük olanıdır, L3 ise daha yavaş ama daha büyüktür.
- Önbellek Satırları: Önbellek, önbellek satırları adı verilen ve genellikle 32 bayt ile 128 bayt arasında değişen sabit miktarda veri depolayan birimlere bölünmüştür. Veriler ana bellekten alındığında önbellek satırlarının tamamı önbelleğe aktarılır.
- İlişkilendirme: Önbellekler, verilerin nasıl depolandığını ve erişildiğini belirleyerek doğrudan eşlemeli, tamamen ilişkisel veya ayarlanmış ilişkisel olarak düzenlenebilir.
- Doğrudan eşlemeli: Her bellek bloğu tek bir önbellek satırına eşlenir.
- Tamamen ilişkisel: Herhangi bir bellek bloğu herhangi bir önbellek satırına gidebilir.
- İlişkilendirmeyi ayarla: Belirli bir satır kümesine blok eşlemesi yaparak her iki yöntemi birleştirir.
Önbellek nasıl bölünür?
Önbellek, veri alımını ve depolama verimliliğini optimize etmek için birden fazla bölüme ayrılmıştır. Bu bölüm, önbelleğin farklı türdeki verileri depolamasına ve etkili bir şekilde yönetmesine olanak tanır.
Bölüm Özellikleri:
- Önbellek Seviyeleri: Daha önce de belirttiğimiz gibi önbellek L1, L2 ve L3’e bölünmüş olup her seviye hız ve kapasite açısından farklı bir amaca hizmet eder.
- Önbellek Segmentasyonu: Her düzeyde önbellek, veriler (D-cache) ve talimatlar (I-cache) için çeşitli bölümlere ayrılabilir ve böylece her iki bilgi türüne daha hızlı erişim sağlanır.
- Veri Yapıları: Önbellek, ilişkilendirilebilirliğine dayalı olarak verileri bloklar, satırlar veya kümeler halinde düzenler ve verilerin nasıl depolandığını ve erişildiğini etkiler.
Önbellek işlemi nedir?
Önbellek işlemi, verilerin nasıl alınacağını ve önbellekte saklanacağını belirleyen ve sık kullanılan verilere hızlı erişim sağlayan birkaç adım içerir.
Önbellek İşlemindeki Adımlar:
- Önbellek Arama: CPU veri istediğinde, önbellek ilk önce verinin mevcut olup olmadığını (önbellek isabeti) veya olmadığını (önbellek kaçırma) görmek için kontrol edilir.
- Önbellek İsabeti: Veri önbellekte bulunursa hızlı bir şekilde alınır ve erişim süresi kısaltılır.
- Cache Miss: Eğer veri önbellekte yoksa ana bellekten alınır ve önbellek bu yeni veriyle güncellenir.
- Değiştirme Politikası: Önbellek doluysa, yeni verilere yer açmak amacıyla hangi önbellek satırının çıkarılacağını belirlemek için bir değiştirme politikası (LRU – En Son Kullanılan gibi) kullanılır.
Önbellek nasıl ölçülür?
Önbellek performansı ve boyutu, bir bilgisayar sistemindeki etkinliğinin değerlendirilmesine yardımcı olan çeşitli ölçümler kullanılarak ölçülür.
Ölçüm Metrikleri:
- Önbellek Boyutu: Genellikle kilobayt (KB) veya megabayt (MB) cinsinden ölçülür ve önbelleğin depolayabileceği toplam veri miktarını belirtir.
- İsabet Oranı: Önbellek isabetleriyle sonuçlanan bellek erişimlerinin yüzdesi; önbelleğin istekleri ne kadar etkili bir şekilde sunduğunu gösterir.
- Miss Rate: Önbellek kayıplarıyla sonuçlanan bellek erişimlerinin yüzdesi, önbelleğin verimliliği hakkında bilgi sağlar.
- Gecikme: Performansı anlamak için çok önemli olan, önbellekten verilere erişim için gereken süre.
Önbellek nerede bulunuyor?
Önbellek, gecikmeyi en aza indirmek ve erişim hızını en üst düzeye çıkarmak için CPU’ya yakın bir yerde bulunur. Stratejik yerleşimi, genel sistem performansını artırmak için kritik öneme sahiptir.
Önbellek Konumu Ayrıntıları:
- On-Die Cache: L1 ve L2 önbellekleri genellikle doğrudan CPU yongasına entegre edilir ve son derece hızlı erişime olanak tanır.
- Paylaşılan Önbellek: L3 önbellek, mevcut olduğunda genellikle birden fazla CPU çekirdeği arasında paylaşılır ve iş parçacıkları arasında verimli veri erişimine olanak tanır.
- Ana Bellek Bağlantısı: Önbellek, CPU ile ana bellek (RAM) arasında bir tampon görevi görerek, sık erişilen verilerin daha yavaş olan ana bellekten alınmasına gerek kalmadan kolayca erişilebilir olmasını sağlar.
Bu açıklamanın, önbelleğin nasıl düzenlendiğini ve bir bilgisayar sistemi içinde nasıl çalıştığını anlamanıza yardımcı olacağını umuyoruz. Bu kavramları kavrayarak, önbelleğin hesaplama hızını ve verimliliğini artırmadaki rolünü daha iyi anlayabilirsiniz.
