[Cache (L1 / L2 / L3)

Cache-Architektur Der Cache ist ein spezieller Puffer-Speicher, der zwischen dem Arbeitsspeicher und dem Prozessor liegt.
Damit der Prozessor nicht jeden Programm-Befehl aus dem langsamen Arbeitsspeicher holen muss, wird gleich ein ganzer Befehls- oder Datenblock in den Cache geladen. Die Wahrscheinlichkeit, dass die nachfolgenden Programmbefehle im Cache liegen, ist sehr groß, da die Programm-Befehle nacheinander abgearbeitet werden.
Erst wenn alle Programm-Befehle abgearbeitet sind oder ein Sprungbefehl zu einer Sprungadresse außerhalb des Caches erfolgt, dann muss der Prozessor auf den Arbeitsspeicher zugreifen. Deshalb sollte der Cache möglichst groß sein, damit der Prozessor die Programm-Befehle ohne Pause hintereinander ausführen kann.


L1-Cache / First-Level-Cache

In der Regel ist der L1-Cache nicht besonders groß. Aus Platzgründen bewegt er sich in der Größenordnung von 16 bis 64 kByte. Meistens ist der Speicherbereich für Befehle und Daten voneinander getrennt. Die Bedeutung des L1-Caches wächst mit der höheren Geschwindigkeit der CPU.
Im L1-Cache werden die am häufigsten benötigten Befehle und Daten zwischengespeichert, damit möglichst wenige Zugriffe auf den langsamen Arbeitsspeicher erforderlich sind. Dieser Cache vermeidet Verzögerungen in der Datenübermittlung und hilft eine CPU optimal auszulasten.

L2-Cache / Second-Level-Cache

Im L2-Cache werden die Daten des Arbeitsspeichers (RAM) zwischengespeichert.
Über die Größe dieses Caches versorgen die Prozessorhersteller die unterschiedlichen Marktsegmente mit speziell modifizierten Prozessoren. Ein Prozessor mit sehr großen L2-Cache ist teurer in der Herstellung. Deshalb war der L2-Cache auch schon mal außerhalb des Prozessor-Kerns angeordnet.
Die Wahl zwischen einem Prozessor mit mehr Taktgeschwindigkeit oder einem größeren L2-Cache lässt sich wie folgt, vereinfacht ausgedrückt, beantworten. Mit einem höheren Takt laufen einzelne Programme, insbesondere mit hohem Rechenbedarf, schneller. Sobald mehrere Programme gleichzeitig laufen, ist ein größerer Cache von Vorteil. In der Regel sind normale Desktop-Computer mit einem Prozessor mit einem großen Cache besser bedient, als mit einem Prozessor mit hoher Taktrate.
Als der Speichercontroller vom Chipsatz in den Prozessor verlagert wurde und damit viel schneller auf den Arbeitsspeicher zugreifen konnte, sank damit auch die Bedeutung des L2-Cache. Während die Größe des L2-Caches geringer wurde, wurde der L3-Cache ordentlich aufgerüstet.

L3-Cache / Third-Level-Cache

Der L3-Cache ist ein Cache-Speicher, der zum ersten mal im Prozessor K6-3 von AMD Anwendung fand. Allerdings optional und außerhalb des Prozessors auf dem Motherboard. In der Regel verwenden Multicore-Prozessoren einen integrierten L3-Cache.
Mit dem L3-Cache kann das Cache-Koheränz-Protokoll von Multicore-Prozessoren viel schneller arbeiten. Dieses Protokoll gleicht die Caches aller Kerne ab, damit die Datenkonsistenz erhalten bleibt. Der L3-Cache hat also weniger die Funktion eines Caches, sondern soll das Cache-Koheränz-Protokoll und den Betrieb des Switches vereinfachen und beschleunigen.
Inklusiv-Cache und Exklusiv-Cache

Mit den Multicore-Prozessoren kamen die Begriffe Inklusiv- und Exklusiv-Cache auf.
Inklusiv-Cache bedeutet, dass Daten im L1-Cache auch im L2- und L3-Cache vorhanden sind. So lässt sich die Datenkonsistenz zwischen den Kernen leichter sicherstellen. Im Vergleich zum Exklusiv-Cache wird etwas Speicherkapazität verschenkt, weil die Daten redundant im Speicher liegen.
Exklusiv-Cache bedeutet, der Cache steht einem Prozessor-Kern exklusiv also für ihn alleine zur Verfügung. Er muss den Cache nicht mit einem anderen Kern teilen. Ein Nachteil davon ist, dass mehrere Prozessor-Kerne untereinander dann nur auf einem Umweg Daten miteinander austauschen können.