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Definition Was ist ein Cache-Speicher?

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Stefan Luber / Dr. Jürgen Ehneß

Ein Cache-Speicher ist ein schneller Zwischenspeicher. Er wird eingesetzt, um die Zugriffszeiten auf Informationen zu beschleunigen. Der Cache reduziert die Anzahl notwendiger Zugriffe auf ein langsameres Speichermedium. Die Zwischenspeicher können als Hardware oder als Software-Funktion realisiert sein.

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Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
(Bild: © aga7ta - Fotolia)

Ein Cache-Speicher ist in vielen Geräten und Anwendungen des IT-Umfelds zu finden. Oft wird er einfach nur Cache genannt. Es handelt sich um einen Datenzwischenspeicher, der zur Optimierung von Zugriffszeiten zum Einsatz kommt. Der schnelle Pufferspeicher hält häufig benötigte Informationen bereit und minimiert dadurch die Zugriffe auf langsamere Speichermedien.

Typische Anwendungen für einen Cache-Speicher sind Prozessoren, Festplattenspeicher oder Webbrowser. Einmal in den Cache geladene Daten bleiben dort längere Zeit gespeichert und sind immer wieder abrufbar. Die Effizienz eines Caches hängt davon ab, wie gut es gelingt, die benötigten Daten tatsächlich vorzuhalten. Seine Größe ist begrenzt, weshalb intelligente Speicherverwaltungs- und Speicherverdrängungsverfahren wie Least Frequently Used (LFU), Least Recently Used (LRU) oder Most Recently Used (MRU) notwendig sind.

Für Gerätenutzer oder Anwendungen arbeitet der Cache transparent im Hintergrund. Unter gewissen Umständen kann es notwendig sein, dass Anwender eingreifen und beispielsweise den Cache löschen müssen.

Unterscheidung zwischen Hardware- und Software-Caches

Cache-Speicher lassen sich in Hardware- und Software-Caches unterteilen. Bei einem Hardware-Cache handelt es sich um einen Speicherchip, der schnelleren Zugriff auf Daten bietet als der Speicher, auf dem die Daten langfristig gespeichert sind. Beispiele für Hardware-Caches sind die zwischen Arbeitsspeicher und Prozessor liegenden Caches und die Pufferspeicher auf Festplatten oder optischen Laufwerken.

Software-Caches besitzen keine eigenen Hardware-Speicherbausteine, sondern nutzen auf dem System vorhandene Speichermöglichkeiten. Sie halten Ergebnisse häufig benötigter komplexer Operationen oder zeitaufwendig zu beschaffende Informationen in einem eigenen schnellen Speicherbereich bereit.

Ein Beispiel für einen Software-Cache ist der Cache des Webbrowsers. Dort werden beispielsweise bereits von einem Server abgerufene Daten wie Bilder zwischengespeichert. Der Browser muss sie nicht jedes Mal neu über die Netzwerkverbindung beim Server anfordern, sondern zeigt direkt die Daten aus dem Cache an. Die Ladegeschwindigkeit der Webseiten steigt, und die Netzlast reduziert sich.

Ziele des Cache-Speichers

Die Ziele eines Cache-Speichers sind kurz zusammengefasst folgende:

  • Reduzierung der Zugriffszeiten auf häufig benötigte Daten,
  • Verringerung der Anzahl von Zugriffen auf das Primärmedium,
  • Entlastung von Schnittstellen und Bussystemen,
  • Reduzierung der Netzwerklast,
  • Minimierung von Übertragungsfehlern,
  • Steigerung der Ausführungszeit von Anwendungen.

Der Cache-Speicher moderner Prozessoren

In modernen Prozessoren sind mehrere Cache-Zwischenspeicher direkt integriert. Es kommen mehrstufige sogenannte Level-1-, Level-2-, Level-3- und manchmal Level-4-Caches zum Einsatz, welche die Zugriffszeiten auf den Arbeitsspeicher reduzieren. Je näher sich ein Cache am Prozessor befindet, desto weniger Speicherkapazität hat er und desto schneller ist er getaktet. Der Level-1-Cache befindet sich direkt am Prozessor, hat nur maximal einige hundert Kilobyte Speicherplatz und arbeitet im Prozessortakt.

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