cpu 的二級(jí)緩存容量

　　CPU 緩存（Cache Memoney）是位于 CPU 與內(nèi)存之間的臨時(shí)存儲(chǔ)器。它的容量比內(nèi)存小，但交換速度更快。緩存中的數(shù)據(jù)，只是內(nèi)存數(shù)據(jù)中的一小部分，但這一小部分是短時(shí)間內(nèi) CPU 即將訪問(wèn)的，當(dāng) CPU 調(diào)用大量數(shù)據(jù)時(shí)，就可避開(kāi)內(nèi)存直接從緩存中調(diào)用，從而加快讀取速度。由此可見(jiàn)，在 CPU 中加入緩存，是一種高效的解決方案。這樣，整個(gè)內(nèi)存儲(chǔ)器（緩存+內(nèi)存）就變成了既有緩存的高速度，又有內(nèi)存的大容量的存儲(chǔ)系統(tǒng)了。緩存對(duì) CPU 的性能影響很大。主要是因?yàn)?CPU 的數(shù)據(jù)交換順序和 CPU 與緩存間的帶寬引起的。

　　緩存的工作原理，是當(dāng) CPU 要讀取一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，首先從緩存中查找，如果找到，就立即讀取并送給 CPU 處理；如果沒(méi)有找到，就用相對(duì)慢的速度從內(nèi)存中讀取并送給 CPU 處理，同時(shí)把這個(gè)數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)塊調(diào)入緩存中，可以使得以后對(duì)整塊數(shù)據(jù)的讀取都從緩存中進(jìn)行，不必再調(diào)用內(nèi)存。

　　正是這樣的讀取機(jī)制，使 CPU 讀取緩存的命中率非常高（大多數(shù) CPU 可達(dá) 90% 左右），也就是說(shuō)，CPU 下一次要讀取的數(shù)據(jù) 90% 都在緩存中，只有大約 10% 需要從內(nèi)存讀取。這就大大節(jié)省了 CPU 直接讀取內(nèi)存的時(shí)間，也使 CPU 讀取數(shù)據(jù)時(shí)基本無(wú)需等待。總的來(lái)說(shuō)，CPU 讀取數(shù)據(jù)的順序，是先緩存，后內(nèi)存。

　　 早先的 CPU 緩存是個(gè)整體的，而且容量很低，英特爾公司從 Pentium 時(shí)代開(kāi)始，把緩存進(jìn)行了分類(lèi)。當(dāng)時(shí)集成在 CPU 內(nèi)核中的緩存已不足以滿足 CPU 的需求，而制造工藝上的限制，又不能大幅度提高緩存的容量。因此出現(xiàn)了集成在與 CPU 同一塊電路板上或主板上的緩存，此時(shí)，就把 CPU 內(nèi)核集成的緩存，稱(chēng)為一級(jí)緩存。而外部的稱(chēng)為二級(jí)緩存。一級(jí)緩存中，還分?jǐn)?shù)據(jù)緩存（Data Cache，D-Cache）和指令緩存（Instruction Cache，I-Cache）。二者分別用來(lái)存放數(shù)據(jù)和執(zhí)行這些數(shù)據(jù)的指令，而且兩者可以同時(shí)被 CPU 訪問(wèn)，減少了爭(zhēng)用 Cache 所造成的沖突，提高了處理器的效能。英特爾公司在推出 Pentium 4 處理器時(shí)，還新增了一種一級(jí)追蹤緩存，容量為 12KB。

　　隨著 CPU 制造工藝的發(fā)展，二級(jí)緩存也能輕易的集成在 CPU 內(nèi)核中，容量也在逐年提升。現(xiàn)在再用集成在 CPU 內(nèi)部與否來(lái)定義一、二級(jí)緩存，已不確切。而且隨著二級(jí)緩存被集成入 CPU 內(nèi)核中，以往二級(jí)緩存與 CPU 大差距分頻的情況也被改變，此時(shí)其以相同于主頻的速度工作，可以為 CPU 提供更高的傳輸速度。

　　二級(jí)緩存是 CPU 性能表現(xiàn)的關(guān)鍵之一。在 CPU 核心不變的情況下，增加二級(jí)緩存容量，能使性能大幅度提高。而同一核心的 CPU 高低端之分，往往也是在二級(jí)緩存上有差異。由此可見(jiàn)，二級(jí)緩存對(duì)于 CPU 的重要性。

　　CPU 在緩存中找到有用的數(shù)據(jù)被稱(chēng)為命中，當(dāng)緩存中沒(méi)有 CPU 所需的數(shù)據(jù)時(shí)（這時(shí)稱(chēng)為未命中），CPU 才訪問(wèn)內(nèi)存。從理論上講，在一顆擁有二級(jí)緩存的 CPU 中，讀取一級(jí)緩存的命中率為 80%。也就是說(shuō)，CPU 一級(jí)緩存中找到的有用數(shù)據(jù)，占數(shù)據(jù)總量的 80%，剩下的 20% 從二級(jí)緩存中讀取。由于不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)將要執(zhí)行的數(shù)據(jù)，讀取二級(jí)緩存的命中率也在 80% 左右（從二級(jí)緩存讀到有用的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的 16%）。那么，還有的數(shù)據(jù)就不得不從內(nèi)存調(diào)用，但這已經(jīng)是一個(gè)相當(dāng)小的比例了。目前的較高端的 CPU 中，還會(huì)帶有三級(jí)緩存，它是為讀取二級(jí)緩存后未命中的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的種緩存，在擁有三級(jí)緩存的 CPU 中，只有約 5% 的數(shù)據(jù)需要從內(nèi)存中調(diào)用，這進(jìn)一步提高了 CPU 的效率。

　　為了保證 CPU 訪問(wèn)時(shí)有較高的命中率，緩存中的內(nèi)容應(yīng)該按一定的算法替換。一種較常用的算法，是 近 少使用算法（LRU 算法），它是將 近一段時(shí)間內(nèi) 少被訪問(wèn)過(guò)的行淘汰出局。因此，需要為每行設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，LRU 算法是把命中行的計(jì)數(shù)器清零，其他各行計(jì)數(shù)器加 1。當(dāng)需要替換時(shí)，淘汰行計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值 大的數(shù)據(jù)行出局。這是一種高效、科學(xué)的算法。其計(jì)數(shù)器清零過(guò)程，可以把一些頻繁調(diào)用后再不需要的數(shù)據(jù)淘汰出緩存，提高緩存的利用率。

　　CPU 產(chǎn)品中，一級(jí)緩存的容量基本在 4KB 到 64KB 之間，二級(jí)緩存的容量則分為 128KB、256KB、512KB、1MB、2MB 等。一級(jí)緩存容量，各產(chǎn)品之間相差不大，而二級(jí)緩存容量，則是提高 CPU 性能的關(guān)鍵。二級(jí)緩存容量的提升，是由 CPU 制造工藝所決定的，容量增大必然導(dǎo)致 CPU 內(nèi)部晶體管數(shù)的增加，要在有限的 CPU 面積上集成更大的緩存，對(duì)制造工藝的要求也就越高。