تفاوت بین حافظه بافر و حافظه کش (Cache & Buffer)

در حوزه پردازش داده‌ها مفاهیم گوناگونی داریم که هر کدام در شکل گیری ساختار یک سیستم سهم دارند. یکی از این مفاهیم مبحث حافظه بافر و حافظه کش است. هر دو از جنس حافظه موقت هستند، ولی عملکرد و هدفشان متفاوت است. فرایند پردازش داده به خواندن و نوشتن اطلاعات در بخش‌های گوناگون نیاز دارد. به همین دلیل در بخش‌های سخت افزاری و نرم افزاری، روش‌هایی ابداع شده تا انتقال داده سریع تر شود یا تداخل کمتری انجام شود.

حافظه بافر برای این طراحی شده که جریان اطلاعات را در شرایطی که سرعت بخش‌های مختلف سیستم با هم تفاوت دارد، روان تر کند و از بروز مشکلات جلوگیری کند. از طرف دیگر، حافظه کش به گونه ای عمل می‌کند که دسترسی به اطلاعاتی که بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند، سریع تر شود. این دو نوع حافظه مکمل یکدیگر نیستند، زیرا ساختار و کاربردهای متفاوتی دارند.

حافظه بافر (Buffer) چیست؟

حافظه بافر بخشی از سیستم است که به صورت موقت داده‌ها را ذخیره می‌کند. این حافظه برای هماهنگ کردن سرعت بین بخش‌های مختلف سیستم استفاده می‌شود. به عنوان مثال، چاپگرها معمولا اطلاعات را با سرعت مشخصی دریافت می‌کنند، اما کامپیوتر ممکن است داده‌ها را سریع تر یا کندتر ارسال کند. اگر حافظه بافر وجود نداشت، سیستم مجبور بود سرعت خود را کاهش دهد یا منتظر بماند تا چاپگر کار خود را تمام کند. این موضوع می‌توانست باعث ایجاد اختلال در عملکرد دستگاه‌ها شود.

ساختار درونی بافر می‌تواند سخت‌افزاری یا نرم‌افزاری باشد. در حالت سخت افزاری، این ابزار معمولا در دستگاه‌هایی قرار دارد که از یک قطعه فیزیکی مثل تراشه حافظه استفاده می‌کنند. برای مثال، کارت‌های صدای قدیمی یا چاپگرهای حرفه ای تراشه ای داشتند که داده‌ها را موقت در خود نگه می‌داشت. در حالت نرم افزاری، بافر به کمک حافظه اصلی سیستم کار می‌کند و سیستم‌عامل وظیفه مدیریت آن را دارد. اندازه بافر اهمیت زیادی دارد. اگر ظرفیت آن خیلی کم باشد، ممکن است داده‌ها بیش از حد وارد شوند و بخشی از اطلاعات از بین برود یا سرعت انتقال کاهش پیدا کند. به زبان ساده تر بافر مثل یک واسطه عمل می‌کند تا اختلاف سرعت بین فرستنده و گیرنده را از بین ببرد.

مستر اچ پی در زمینه ی فروش انواع سرور اچ پی و تجهیزات مرتبط با آن‌ها فعالیت دارد. محصولات این فروشگاه با بهترین کیفیت ، گارانتی معتبر و قیمت مناسب عرضه می شود. برای اطلاعات بیشتر می توانید با شماره 02191008413 تماس حاصل فرمایید.

حافظه بافر در چه زمینه ای کاربرد دارد؟

حافظه بافر در بخش‌های مختلفی کاربرد دارد و عملکرد آن به ساده تر شدن فرایندها کمک می‌کند. یکی از نمونه‌های رایج، پخش آنلاین ویدیو و موسیقی است. وقتی فردی فیلمی را به صورت آنلاین تماشا می‌کند، داده‌های ویدیو ابتدا در یک فضای موقت ذخیره می‌شوند که به آن بافر می‌گویند. این کار باعث می‌شود بخشی از فایل پیش از پخش آماده باشد و در نتیجه هنگام نمایش فیلم، وقفه یا قطع و وصل کمتری رخ دهد.

در چاپ اسناد نیز از این روش استفاده می‌شود. بسیاری از چاپگرها حافظه داخلی محدودی دارند. در این شرایط، رایانه بخشی از حافظه خود را به عنوان بافر اختصاص می‌دهد تا اطلاعات در آن ذخیره شوند و سپس به تدریج به چاپگر منتقل شوند.

در کارت‌های صدا هم بافر نقش مهمی در جلوگیری از مشکلات صوتی دارد. هنگام پردازش صدا، اگر سرعت ضبط یا پخش با سرعت پردازش هماهنگ نباشد، ممکن است نویز یا سکوت‌های کوتاه ایجاد شود. برای جلوگیری از این مشکل، داده‌های صوتی ابتدا در بافر ذخیره می‌شوند تا پردازش به صورت یکنواخت انجام شود.

برخی برنامه‌ها هم از حافظه‌های موقت نرم افزاری استفاده می‌کنند تا داده‌ها را برای مدت کوتاهی نگه دارند. این کار باعث می‌شود که در صورت نیاز دوباره به اطلاعات، دسترسی به آن‌ها سریع تر انجام شود.

حافظه کش (Cache) چیست؟

حافظه کش، بخشی از سیستم است که اطلاعات یا دستورالعمل‌هایی که بیشتر استفاده می‌شوند را به صورت موقت ذخیره می‌کند تا پردازنده بتواند سریع تر به آن‌ها دسترسی پیدا کند. این حافظه معمولا در داخل پردازنده یا نزدیک ترین بخش به آن قرار دارد. هدف اصلی این حافظه، کاهش زمان دسترسی به اطلاعاتی است که برنامه‌ها به طور مکرر به آن‌ها نیاز دارند.

در مقایسه با رم، کش سرعت بیشتری دارد اما ظرفیت آن کمتر است. رم اغلب برای ذخیره حجم زیادی از داده‌ها استفاده می‌شود، اما سرعت آن پایین تر است. از طرف دیگر، کش به دلیل نزدیکی به پردازنده، داده‌ها و دستورالعمل‌های پرکاربرد را سریع تر در اختیار سیستم قرار می‌دهد. این موضوع باعث می‌شود که پردازنده نیازی نداشته باشد برای هر درخواست به حافظه اصلی مراجعه کند، چرا که این کار زمان بیشتری می‌برد. حافظه کش شباهت‌هایی به رم دارد. از این جهت که اطلاعات ذخیره شده در آن پس از خاموش شدن دستگاه از بین می‌رود و نمی‌توان از آن برای نگهداری دائمی داده‌ها استفاده کرد.

انواع حافظه cache

حافظه کش دارای طبقه بندی‌های مختلف است؛ اصلی‌ترین سطوح آن L1،  L2 و L3 است. هرکدام از این سطوح ویژگی‌های جداگانه ای دارند که در ادامه بررسی می‌شود:

1) حافظه کش لایه اول  (L1 Cache)

کش لایه اول در نزدیک ترین جای ممکن به هستهٔ پردازنده قرار گرفته است. مقدار ظرفیت آن بسیار اندک است، ولی سرعتش بسیار بالاست. پردازنده به صورت مستقیم به L1 دسترسی دارد. خواندن از این لایه تقریبا بدون وقفه صورت می‌گیرد. معمولا بین 32 تا 256 کیلوبایت در هر هسته پردازشی برای L1 تعریف می‌کنند. اگر داده یا دستور مورد نیاز برنامه در L1 وجود داشته باشد، زمان دسترسی به آن خیلی کم است.

2) حافظه کش لایه دوم (L2 Cache)

کش لایه دوم عموما مقداری دورتر از هسته نسبت به L1 جای دارد. اندازه اش بزرگ تر از L1 است. گاه تا چند مگابایت هم می‌رسد. سرعت دسترسی به L2 اندکی کمتر از لایه اول است. اما باز هم بسیار بالاتر از رم اصلی خواهد بود. در برخی معماری‌ها، هر هسته یک L2 اختصاصی دارد. در بعضی مدل‌های دیگر، میان چند هسته اشتراک دارد. وقتی در لایه اول اطلاعات درخواستی پردازنده یافت نشود، لایه دوم بررسی می‌گردد.

3) حافظه کش لایه سوم  (L3 Cache)

کش لایه سوم از L1 و L2 بزرگ تر است و ممکن است چندین مگابایت تا ده‌ها مگابایت باشد. در پردازنده‌های چند هسته‌ای، اغلب L3 به صورت اشتراکی میان تمام هسته‌ها قرار دارد تا اگر هر هسته به داده‌ای نیاز داشت و در لایه‌های قبلی پیدا نشد، در این سطح فرصت داشته باشد آن را پیدا کند. سرعت L3 نسبت به لایه‌های قبلی کمتر است، ولی همچنان سریع‌تر از دسترسی به رم است. بسیاری از CPUهای گران قیمت یا سروری، حجم L3 چشمگیری دارند تا سرعت کلی فرایندها بالا برود و هسته‌ها به صورت مستقیم کمتر به رم مراجعه کنند.

حافظه نهان (cache) در چه زمینه ای کاربرد دارد؟

حافظه کش در حوزه‌های گوناگونی مورد استفاده  قرار می‌گیرد. یکی از کاربردهای اصلی آن در پردازنده‌های مرکزی است. هر برنامه برای اجرای دستورات خود نیاز دارد که اطلاعات را بارها بخواند یا تغییر دهد. اگر دسترسی به این اطلاعات زمانبر باشد، پردازنده مجبور می‌شود منتظر بماند و این انتظار باعث کاهش سرعت سیستم می‌شود. حافظه کش این مشکل را حل کرده و به پردازنده اجازه می‌دهد اطلاعات موردنیاز را سریع تر و در نزدیکی خود پیدا کند، بدون اینکه به حافظه اصلی مراجعه کند.

کاربرد دیگر کش در کارت‌های گرافیکی است. این کارت‌ها معمولا از حافظه‌های پرسرعتی استفاده می‌کنند و علاوه بر آن، بخشی از حافظه داخلی خود را به کش اختصاص می‌دهند. این کار باعث می‌شود عملیات پردازش تصاویر سه بعدی روان تر انجام شود و نرخ فریم در بازی‌ها یا برنامه‌های گرافیکی افزایش یابد.

حافظه نهان در سرورها و مرورگرهای وب هم استفاده می‌شود. وقتی کاربر یک صفحه وب را چند بار باز می‌کند، بسیاری از فایل‌ها از کش مرورگر دریافت می‌شوند و در نتیجه، صفحه سریع تر بارگذاری می‌شود.

معایب حافظه کش

نقطه ضعف اصلی حافظه کش، هزینه بالایش در مقایسه با حافظه‌های معمولی است. زیرا در طراحی آنها از تراشه‌های سریعی مانند SRAM استفاده می‌شود که ساختشان گران تر از DRAM است. این امر منجر می‌شود نتوان مقدار بسیار بزرگی از کش در اختیار داشت، چون بالا رفتن قیمت نهایی پردازنده شدید خواهد شد. اشکال بعدی این است که در صورت قطع جریان برق، داده‌های کش از بین می‌رود و قابل نگهداری دائمی نیست. بنابراین واجب است سازوکار جامعی وجود داشته باشد تا اطلاعات واقعا حیاتی در جای دیگری هم ثبت شوند.

تفاوت بین حافظه بافر و حافظه کش (Cache & Buffer)

اگرچه حافظه بافر و حافظه کش هر دو حافظه موقت هستند ولی وظایفشان متفاوت است.

– حافظه بافر زمانی استفاده می‌شود که سرعت انتقال داده بین دو بخش هماهنگ نباشد. به عبارت دیگر اگر یک بخش اطلاعات را سریع تر تولید کند و بخش دیگر نتواند به همان سرعت آن‌ها را پردازش کند، بافر به عنوان یک واسطه عمل می‌کند. این کار باعث مدیریت جریان داده‌ها می‌شود و از ایجاد وقفه در عملکرد دستگاه‌هایی مانند پرینتر، اسکنر یا پخش‌کننده‌های صوتی و تصویری جلوگیری شود.

در مقابل، حافظه کش برای دسترسی سریع تر به داده‌هایی طراحی شده که به طور مکرر مورد استفاده قرار می‌گیرند. این حافظه نزدیک به پردازنده قرار دارد و داده‌هایی که احتمال استفاده دوباره از آن‌ها زیاد است را ذخیره می‌کند. به این ترتیب، وقتی برنامه‌ای نیاز به داده‌ای داشته باشد که قبلا درخواست شده، کش آن را سریع‌تر از حافظه اصلی در اختیار قرار می‌دهد. این روش باعث کاهش زمان انتظار و افزایش سرعت پردازش می‌شود.

– حافظه بافر و کش جایگاه متفاوتی دارند. حافظه بافر ممکن است در سخت افزارهایی مانند پرینتر یا در حافظه اصلی سیستم قرار گیرد؛ ولی حافظه کش معمولا در داخل پردازنده قرار دارد.

– اندازه بافر معمولا بزرگ تر از حافظه کش است، زیرا کش به دلیل هزینه بالای ساخت، کوچک تر طراحی می‌شود

بین حافظه کش و بافر کدام را انتخاب کنیم؟

انتخاب بین حافظه بافر و حافظه کش به کارکرد سیستم بستگی دارد. اگر شرایطی وجود دارد که دو ماژول یا دو قطعهٔ سخت افزاری، حین انتقال اطلاعات از نظر سرعت همخوانی ندارند، اولین گزینه بافر است. اما اگر هدف اصلی کاهش زمان خواندن اطلاعات و کاهش مراجعه مستقیم به رم باشد، کش انتخاب بهتری خواهد بود. وقتی یک برنامه حجم زیادی از داده‌های تکراری را پردازش می‌کند، استفاده از حافظه کش می‌تواند سرعت اجرای آن را به طور چشمگیری افزایش دهد. در یک کامپیوتر شخصی، هر دو نوع حضور دارند. کیت سخت افزار پرینتر یا اسکنر، بخشی از ماجرا را به بافر واگذار می‌کند و پردازنده هم به کش وابسته است.

محدودیت های هر کدام از حافظه های کش و بافر

حافظه کش محدودیت قیمت دارد. یعنی هر چه بخواهیم ظرفیت را بالا ببریم، با افزایش هزینه زیادی مواجه می‌شویم چون فناوری ساختش پرهزینه است. از طرف دیگر بافر برای ذخیره موقت داده‌ها طراحی شده است، اما استفاده از آن نیز چالش‌هایی دارد. اگر حجم ذخیره سازی بیش از حد زیاد شود، ممکن است تاخیر در پردازش داده‌ها ایجاد شود و کاربر مجبور شود منتظر بماند.

از سوی دیگر، اگر حجم بافر کم باشد و سرعت ارسال داده‌ها بالا باشد، احتمال سرریز داده‌ها وجود دارد. همچنین، بافر نمی‌تواند سرعت واقعی خواندن و نوشتن داده‌ها را افزایش دهد، بلکه تنها باعث می‌شود این فرایندها روان تر انجام شوند.در اصل جریان اطلاعات را فقط مدیریت می‌کند. علاوه بر این، اطلاعات ذخیره شده در بافر باید در زمان مشخصی به مقصد برسند. اگر این زمان طولانی شود، بافر به جای تسهیل فرایند، ممکن است به یک مانع تبدیل شود.

آیا می توان حافظه کش را افزایش داد؟

در کامپیوتر‌های شخصی معمولی، اگر بخواهید حافظه کش پردازنده سرور را افزایش دهید، باید CPU را به مدل بالاتری تغییر دهید. این به این دلیل است که کش پردازنده بخشی از معماری داخلی آن است و نمی‌توان آن را به صورت جداگانه ارتقا داد. البته در برخی دستگاه‌های خاص مانند کنترلرهای هارد دیسک یا کارت‌های ریدکنترلر، ماژول‌های کش جداگانه‌ای وجود دارد که می‌توان اندازه آن‌ها را تغییر داد یا ماژول جدیدی اضافه کرد. اما این قابلیت در کامپیوترهای خانگی چندان رایج نیست.

گاهی افراد تصور می‌کنند که حافظه رم می‌تواند جایگزین کش پردازنده شود. اما این تصور کاملا اشتباه است. استفاده از رم برای ذخیره سازی موقت داده‌ها بیشتر شبیه به مفاهیمی مانند حافظه مجازی است. آنچه باعث افزایش سرعت واقعی در پردازش دستورالعمل‌ها می‌شود، وجود کش داخلی در پردازنده است. در سیستم‌های پیشرفته تر و بزرگ تر، ممکن است روش‌های بهتری برای مدیریت کش مجازی وجود داشته باشد، اما در سخت‌افزارهای معمولی، افزایش کش تنها از طریق تعویض سی پی یو امکان پذیر است.

افرادی که نیاز دارند سرور قدرتمندی تهیه کنند، مستر اچ پی می‌تواند گزینه مناسبی باشد. این شرکت سرورهایی از خانواده HP را همراه با قطعات جانبی به مشتریان عرضه می‌کند. در صورت نیاز به راهنمایی کارشناسان مستر اچ پی طبق نیازهای شما مدل‌های گوناگون را معرفی می‌کنند. اگر تمایل به خرید دارید می‌توانید از طریق وبسایت رسمی مستر اچ پی اطلاعات دقیق کسب کنید و سفارش مورد نظر را ثبت نمایید.

جمع بندی

حافظه بافر و حافظه کش دو مفهوم مهم هستند که هر کدام کاربرد و عملکرد خاص خود را دارند. هر دوی آن‌ها به طور موقت اطلاعات را ذخیره می‌کنند و در تقویت سرعت و مدیریت بهتر داده‌ها نقش دارند اما شیوه کار آن‌ها متفاوت است. بافر زمانی استفاده می‌شود که سرعت انتقال داده بین دو دستگاه هماهنگ نباشد و بخواهیم که این جریان را مدیریت کند. در مقابل، کش به عنوان یک لایه سریع تر بین پردازنده و رم عمل می‌کند و داده‌هایی که بیشتر استفاده می‌شوند را ذخیره کرده و دسترسی به آن‌ها را راحت تر وسریع تر می‌کند.

از نظر کاربرد، بافر در مواردی مانند چاپگرها، پخش فایل‌های صوتی و تصویری، ضبط صدا و دستگاه‌هایی که سرعتشان کمتر از سیستم اصلی است، استفاده می‌شود. در حالی که کش بیشتر در پردازنده‌ها، کارت‌های گرافیک و کنترلرهای هارد دیسک به کار می‌رود و وظیفه آن کاهش زمان دسترسی به اطلاعات پرمصرف است.