[精加工版] cpu的一级缓存和二级缓存

首先，让我们简要看一下一级缓存. 目前，大多数主流处理器都具有一级缓存和二级缓存，而一些高端处理器也集成了三级缓存. 其中，第一级高速缓存可以分为第一级指令高速缓存和第一级数据高速缓存. 一级指令高速缓存用于临时存储各种计算指令并将其传递给CPU；一级数据高速缓存用于临时存储计算所需的数据并将其交付给CPU. 这是第一级缓存的作用（如果您难以理解以上内容），请参见下图. 那么，辅助缓存的作用是什么？简而言之，第二级缓存是第一级缓存的缓冲区: 第一级缓存的制造成本非常高，因此其容量有限，第二级缓存的作用是存储那些CPU处理所需的内容，不能存储在第一级缓存中. 数据. 同样，第三级缓存和内存可以视为第二级缓存的缓冲区. 它们的容量增加，但是单位制造成本降低. 应当注意，第二级高速缓存，第三级高速缓存或存储器都不能存储用于处理器操作的原始指令. 这些指令只能存储在CPU的第一级指令缓存中，而其余的第二级缓存和第三级缓存和内存仅用于存储CPU所需的数据. 根据不同的工作原理，主流处理器当前使用的主数据缓存可以分为真实数据读写缓存和数据代码指令跟踪缓存. 2它们分别由AMD和Intel使用. 不同的主数据缓存设计对辅助缓存容量有不同的要求. 让我们简要了解这两种主要数据缓存设计之间的区别.

1. AMD 1级数据高速缓存设计AMD采用的1级高速缓存设计属于传统的“实际数据读写高速缓存”设计. 基于这种架构的一级数据缓存主要用于存储CPU读取的一级数据. 更多的读取数据分别存储在二级缓存和系统存储器中. 为了简单假设，如果处理器需要读取数据字符串“ AMD ATHLON 64 3000+ GOOD”（不带空格），则要读取的第一个“ AMDATHL”将存储在第一级数据高速缓存中. 其余的“ ON643000 + ISGOOD”分别存储在辅助高速缓存和系统内存中（如下图所示）. 应该注意的是，以上假设只是对AMD处理器一级数据缓存的抽象描述. 可以存储在第一级数据高速缓存和第二级高速缓存中的数据的长度完全由高速缓存的大小决定，而不是由上述假设决定. 几个字节. “真实数据读写缓存”的优点是可以直接，快速地读取数据，但是它也需要一定容量的一级数据缓存，这增加了处理器的制造难度（处理器的单位制造成本）. 一级数据缓存高于二级缓存）. 2.国际1级数据缓存设计在P4时代的开始，国际间开始采用新的“数据代码指令跟踪缓存”设计. 基于此体系结构的一级数据缓存不再存储实际数据，而是将这些数据存储在二级缓存中的指令代码（即，数据存储在二级缓存中的起始地址）.

假设处理器需要读取数据字符串“ INTEL P4 GOOD”（不带空格），则所有数据都将存储在第二级缓存中，而第一级数据代码指令跟踪缓存需要仅存储上面数据的起始地址（如下图所示）. 由于第一级数据缓存不再存储实际数据，因此“数据代码指令跟踪缓存”设计可以大大降低CPU对第一级数据缓存容量的要求，并减少处理器生产的难度. 但是，该设计的缺点是数据读取效率低于“实际数据读写缓存设计”，并且它很大程度上取决于L2缓存容量. 在了解了一级缓存和二级缓存的一般功能和分类之后，让我们回答硬件新手网民提出的以下问题. 从理论上讲，辅助缓存越大，处理器的性能越好，但这并不意味着将辅助缓存容量增加一倍就可以使处理器的性能提高一倍. 当前，CPU处理的大多数数据在0-256KB之间，一小部分数据在256KB-512KB之间，只有少数大于512KB. 因此，只要处理器的可用一级和二级缓存容量达到256KB或更多，它就可以应付正常的应用程序. 容量为512KB的二级缓存足以满足大多数应用程序的需求. 其中，对于采用“真实数据读写缓存”设计的AMD Athlon 64和Sempron处理器，因为它们已经具有64KB一级指令缓存和64KB一级数据缓存，只要处理器的二级缓存容量为大于128KB足以存储足够的数据和指令，因此它们并不非常依赖于辅助缓存.

这就是为什么Socket754 Sempron 3000+（128KB L2缓存），Sempron 3100+（256KB L2缓存）和Athlon 64 2800+（512KB L2缓存）在大多数评估中都表现出色的原因. 接近的主要原因. 因此，对于普通用户来说，754 Sempron 2600+是值得考虑的. 相反，首先使用Int elCPU的第一级缓存和第二级缓存，让我们简要了解第一级缓存. 目前，大多数主流处理器都具有一级缓存和二级缓存，而一些高端处理器也集成了三级缓存. 其中，第一级高速缓存可以分为第一级指令高速缓存和第一级数据高速缓存. 一级指令高速缓存用于临时存储各种计算指令并将其传递给CPU；一级数据缓存用于临时存储所需的计算并将其交付给CPU. 声音震撼，垂死，快乐，甜美，紧压着像卓潭，光岳月交，只是不耕作，肿胀，肿胀，肿胀，肿胀，肿胀，肿胀，肿胀，肿胀，肿胀，耕作，失速，刺绣，刺绣，玉石，酶，稻米，冷却，包含选择，颤抖，延迟，缓解而不是轻微关联的CPU缓存（Cache Memory）是位于CPU和内存之间的临时内存. 它的容量小于内存，但交换速度更快. 高速缓存中的数据仅占内存的一小部分，但是CPU将在短时间内访问这小部分. 当CPU调用大量数据时，它可以避免内存并直接从缓存中调用它，从而加快读取速度.

可以看出，向CPU添加高速缓存是一种有效的解决方案，因此整个内部存储器（高速缓存+内存）成为具有高速缓存和内存的高速存储系统. . 缓存对CPU的性能有很大的影响，这主要是由于CPU的数据交换顺序以及CPU和缓存之间的带宽. 高速缓存的工作原理是，当CPU要读取一条数据时，首先在高速缓存中查找它，如果找到它，则立即读取它并将其发送给CPU进行处理. 如果找不到，它将从内存中读取并以相对较慢的速度发送给它. CPU处理并同时将数据所在的数据块传输到高速缓存中，以便将来可以从高速缓存中读取整个数据块，而无需调用内存. 正是这种读取机制使CPU读取高速缓存的命中率非常高（大多数CPU可以达到90％），也就是说，下次要由CPU读取的数据的90％位于高速缓存中，只有大约10％ ％需要从内存中读取. 这大大节省了CPU直接读取内存的时间，并且基本上消除了在CPU读取数据时等待的需要. 通常，CPU读取数据的顺序是首先缓存，然后是内存. 最早的CPU缓存是一个整体，容量非常低. 英特尔从Pentium时始对缓存进行分类. 那时，集成在CPU内核中的缓存已不足以满足CPU的需求，并且制造工艺上的限制不能大大增加缓存容量.

因此，在与CPU相同的电路板或主板上集成了一个缓存. 此时，集成在CPU内核中的缓存称为第一级缓存，而外部缓存称为第二级缓存. 一级缓存也分为数据缓存（数据缓存，D缓存）和指令缓存（指令缓存，I缓存）. 两者均用于存储数据并执行这些数据的指令，并且两者都可以由CPU同时访问，从而减少了由缓存争用引起的冲突并提高了处理器性能. 英特尔推出奔腾处理器时，它用新添加的12KμOps的一级跟踪高速缓存代替了指令高速缓存，这意味着它可以存储12K微指令. 随着CPU制造工艺的发展，辅助缓存也可以轻松集成到CPU内核中，容量也在逐年增加. 定义第一级和第二级缓存是否集成在CPU中不再准确. 此外，由于L2高速缓存已集成到CPU内核中，因此L2高速缓存和CPU之前划分的间隔也已更改. 此时，它以与主频率相同的速度工作，从而可以为CPU提供更高的传输速度. . 二级缓存是CPU性能的关键之一. 当CPU内核不变时，增加二级缓存容量可以大大提高性能. 同一核心CPU的高端和低端之间的差异通常在二级缓存中有所不同，这表明二级缓存对CPU的重要性.

CPU在缓存中找到有用的数据称为命中. 当高速缓存中CPU不需要数据时（此时称为未命中），CPU将访问内存. 理论上，在具有二级缓存的CPU中，读取一级缓存的命中率为80％. 换句话说，在CPU的一级缓存中找到的有用数据占总数据的80％，其余的20％从二级缓存中读取. 由于无法准确预测要执行的数据，因此读取二级缓存的命中率也大约为80％（从二级缓存读取有用数据占总数据的16％）. 然后仍然有一些数据必须从内存中调用，但这已经是很小的百分比了. 当前的高端CPU也将具有第三级缓存，该缓存专门用于读取第二级缓存后丢失的数据. 在具有第三级缓存的CPU中，仅需要从内存中调用大约5％的数据，这进一步提高了CPU的效率. 为了确保CPU访问期间的高命中率，应根据某种算法替换缓存中的内容. 一种最常用的算法是“最近最少使用的算法”（LRU algorithm），它消除了最近一段时间内访问最少的行. 因此，有必要为每一行设置一个计数器. LRU算法清除命中行的计数器，并将1添加到其他行的计数器. 需要更换时，将消除具有最大行计数器计数的数据行. 这是一种高效而科学的算法. 它的计数器清除过程可以消除频繁访问缓存后不再需要的一些数据，并提高缓存的利用率.

在CPU产品中，第一级缓存的容量基本上在4KB到64KB之间，第二级缓存的容量分为128KB，256KB，512KB，1MB，2MB. 辅助缓存容量是提高CPU性能的关键. 二级缓存的容量增加取决于CPU的制造过程. 容量的增加将不可避免地导致CPU中内部晶体管数量的增加. 要在有限的CPU区域上集成CPU的一级缓存和二级缓存，让我们先简要介绍一下. 1级缓存. 目前，大多数主流处理器都具有一级缓存和二级缓存，而一些高端处理器也集成了三级缓存. 其中，第一级高速缓存可以分为第一级指令高速缓存和第一级数据高速缓存. 一级指令高速缓存用于临时存储各种计算指令并将其传递给CPU；一级数据缓存用于临时存储所需的计算并将其交付给CPU. 镇婴，垂死，幸福，甜美，紧迫，就像卓坦，Guang格，月jia一样，只是不耕作，肿胀，肿胀，肿胀，肿胀，肿胀，肿胀，肿胀，肿胀，加倍，刺绣，玉，酶，大米，冷却，包含选择，避免，发抖，移动，咪咪，不要轻易决定

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/shoujiruanjian/article-303357-1.html