CPU系列·什么是一級(jí)緩存

    CPU緩存（Cache Memory）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)存小的多但是交換速度卻比內(nèi)存要快得多。緩存的出現(xiàn)主要是為了解決CPU運(yùn)算速度與內(nèi)存讀寫(xiě)速度不匹配的矛盾，因?yàn)镃PU運(yùn)算速度要比內(nèi)存讀寫(xiě)速度快很多，這樣會(huì)使CPU花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間等待數(shù)據(jù)到來(lái)或把數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存。在緩存中的數(shù)據(jù)是內(nèi)存中的一小部分，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)镃PU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�？偟膩�(lái)說(shuō)，CPU讀取數(shù)據(jù)的順序是先緩存后內(nèi)存。

    目前緩存基本上都是采用SRAM存儲(chǔ)器，SRAM是英文Static RAM的縮寫(xiě)，它是一種具有靜志存取功能的存儲(chǔ)器，不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。不像DRAM內(nèi)存那樣需要刷新電路，每隔一段時(shí)間，固定要對(duì)DRAM刷新充電一次，否則內(nèi)部的數(shù)據(jù)即會(huì)消失，因此SRAM具有較高的性能，但是SRAM也有它的缺點(diǎn)，即它的集成度較低，相同容量的DRAM內(nèi)存可以設(shè)計(jì)為較小的體積，但是SRAM卻需要很大的體積，這也是目前不能將緩存容量做得太大的重要原因。它的特點(diǎn)歸納如下：優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能、速度快、不必配合內(nèi)存刷新電路、可提高整體的工作效率，缺點(diǎn)是集成度低、相同的容量體積較大、而且價(jià)格較高，只能少量用于關(guān)鍵性系統(tǒng)以提高效率。

    按照數(shù)據(jù)讀取順序和與CPU結(jié)合的緊密程度，CPU緩存可以分為一級(jí)緩存，二級(jí)緩存，部分高端CPU還具有三級(jí)緩存，每一級(jí)緩存中所儲(chǔ)存的全部數(shù)據(jù)都是下一級(jí)緩存的一部分，這三種緩存的技術(shù)難度和制造成本是相對(duì)遞減的，所以其容量也是相對(duì)遞增的。當(dāng)CPU要讀取一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，首先從一級(jí)緩存中查找，如果沒(méi)有找到再?gòu)亩��?jí)緩存中查找，如果還是沒(méi)有就從三級(jí)緩存或內(nèi)存中查找。一般來(lái)說(shuō)，每級(jí)緩存的命中率大概都在80%左右，也就是說(shuō)全部數(shù)據(jù)量的80%都可以在一級(jí)緩存中找到，只剩下20%的總數(shù)據(jù)量才需要從二級(jí)緩存、三級(jí)緩存或內(nèi)存中讀取，由此可見(jiàn)一級(jí)緩存是整個(gè)CPU緩存架構(gòu)中最為重要的部分。

    一級(jí)緩存（Level 1 Cache）簡(jiǎn)稱(chēng)L1 Cache，位于CPU內(nèi)核的旁邊，是與CPU結(jié)合最為緊密的CPU緩存，也是歷史上最早出現(xiàn)的CPU緩存。由于一級(jí)緩存的技術(shù)難度和制造成本最高，提高容量所帶來(lái)的技術(shù)難度增加和成本增加非常大，所帶來(lái)的性能提升卻不明顯，性?xún)r(jià)比很低，而且現(xiàn)有的一級(jí)緩存的命中率已經(jīng)很高，所以一級(jí)緩存是所有緩存中容量最小的，比二級(jí)緩存要小得多。

    一般來(lái)說(shuō)，一級(jí)緩存可以分為一級(jí)數(shù)據(jù)緩存（Data Cache，D-Cache）和一級(jí)指令緩存（Instruction Cache，I-Cache）。二者分別用來(lái)存放數(shù)據(jù)以及對(duì)執(zhí)行這些數(shù)據(jù)的指令進(jìn)行即時(shí)解碼，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，提高了處理器效能。目前大多數(shù)CPU的一級(jí)數(shù)據(jù)緩存和一級(jí)指令緩存具有相同的容量，例如AMD的Athlon XP就具有64KB的一級(jí)數(shù)據(jù)緩存和64KB的一級(jí)指令緩存，其一級(jí)緩存就以64KB+64KB來(lái)表示，其余的CPU的一級(jí)緩存表示方法以此類(lèi)推。

    Intel的采用NetBurst架構(gòu)的CPU（最典型的就是Pentium 4）的一級(jí)緩存有點(diǎn)特殊，使用了新增加的一種一級(jí)追蹤緩存（Execution Trace Cache，T-Cache或ETC）來(lái)替代一級(jí)指令緩存，容量為12KμO(píng)ps，表示能存儲(chǔ)12K條即12000條解碼后的微指令。一級(jí)追蹤緩存與一級(jí)指令緩存的運(yùn)行機(jī)制是不相同的，一級(jí)指令緩存只是對(duì)指令作即時(shí)的解碼而并不會(huì)儲(chǔ)存這些指令，而一級(jí)追蹤緩存同樣會(huì)將一些指令作解碼，這些指令稱(chēng)為微指令（micro-ops）,而這些微指令能儲(chǔ)存在一級(jí)追蹤緩存之內(nèi)，無(wú)需每一次都作出解碼的程序，因此一級(jí)追蹤緩存能有效地增加在高工作頻率下對(duì)指令的解碼能力，而μO(píng)ps就是micro-ops，也就是微型操作的意思。它以很高的速度將μops提供給處理器核心。Intel NetBurst微型架構(gòu)使用執(zhí)行跟蹤緩存，將解碼器從執(zhí)行循環(huán)中分離出來(lái)。這個(gè)跟蹤緩存以很高的帶寬將uops提供給核心，從本質(zhì)上適于充分利用軟件中的指令級(jí)并行機(jī)制。Intel并沒(méi)有公布一級(jí)追蹤緩存的實(shí)際容量,只知道一級(jí)追蹤緩存能儲(chǔ)存12000條微指令（micro-ops）。所以，我們不能簡(jiǎn)單地用微指令的數(shù)目來(lái)比較指令緩存的大小。實(shí)際上，單核心的NetBurst架構(gòu)CPU使用8Kμops的緩存已經(jīng)基本上夠用了，多出的4kμops可以大大提高緩存命中率。而如果要使用超線程技術(shù)的話，12KμO(píng)ps就會(huì)有些不夠用，這就是為什么有時(shí)候Intel處理器在使用超線程技術(shù)時(shí)會(huì)導(dǎo)致性能下降的重要原因。

    例如Northwood核心的一級(jí)緩存為8KB+12KμO(píng)ps，就表示其一級(jí)數(shù)據(jù)緩存為8KB，一級(jí)追蹤緩存為12KμO(píng)ps；而Prescott核心的一級(jí)緩存為16KB+12KμO(píng)ps，就表示其一級(jí)數(shù)據(jù)緩存為16KB，一級(jí)追蹤緩存為12KμO(píng)ps。在這里12KμO(píng)ps絕對(duì)不等于12KB，單位都不同，一個(gè)是μO(píng)ps，一個(gè)是Byte（字節(jié)），而且二者的運(yùn)行機(jī)制完全不同。所以那些把Intel的CPU一級(jí)緩存簡(jiǎn)單相加，例如把Northwood核心說(shuō)成是20KB一級(jí)緩存，把Prescott核心說(shuō)成是28KB一級(jí)緩存，并且據(jù)此認(rèn)為Intel處理器的一級(jí)緩存容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于AMD處理器128KB的一級(jí)緩存容量的看法是完全錯(cuò)誤的，二者不具有可比性。在架構(gòu)有一定區(qū)別的CPU對(duì)比中,很多緩存已經(jīng)難以找到對(duì)應(yīng)的東西,即使類(lèi)似名稱(chēng)的緩存在設(shè)計(jì)思路和功能定義上也有區(qū)別了，此時(shí)不能用簡(jiǎn)單的算術(shù)加法來(lái)進(jìn)行對(duì)比；而在架構(gòu)極為近似的CPU對(duì)比中，分別對(duì)比各種功能緩存大小才有一定的意義。

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