cpu 的二級緩存容量

　　CPU 緩存（Cache Memoney）是位于 CPU 與內(nèi)存之間的臨時存儲器。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間內(nèi) CPU 即將訪問的，當(dāng) CPU 調(diào)用大量數(shù)據(jù)時，就可避開內(nèi)存直接從緩存中調(diào)用，從而加快讀取速度。由此可見，在 CPU 中加入緩存，是一種高效的解決方案。這樣，整個內(nèi)存儲器（緩存+內(nèi)存）就變成了既有緩存的高速度，又有內(nèi)存的大容量的存儲系統(tǒng)了。緩存對 CPU 的性能影響很大。主要是因為 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 要讀取一個數(shù)據(jù)時，首先從緩存中查找，如果找到，就立即讀取并送給 CPU 處理；如果沒有找到，就用相對慢的速度從內(nèi)存中讀取并送給 CPU 處理，同時把這個數(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，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)存的時間，也使 CPU 讀取數(shù)據(jù)時基本無需等待�？偟膩碚f，CPU 讀取數(shù)據(jù)的順序，是先緩存，后內(nèi)存。

　　 早先的 CPU 緩存是個整體的，而且容量很低，英特爾公司從 Pentium 時代開始，把緩存進(jìn)行了分類。當(dāng)時集成在 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，就把 CPU 內(nèi)核集成的緩存，稱為一級緩存。而外部的稱為二級緩存。一級緩存中，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，而且兩者可以同時被 CPU 訪問，減少了爭用 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，還新增了一種一級追蹤緩存，容量為 12KB。

　　隨著 CPU 制造工藝的發(fā)展，二級緩存也能輕易的集成在 CPU 內(nèi)核中，容量也在逐年提升�，F(xiàn)在再用集成在 CPU 內(nèi)部與否來定義一、二級緩存，已不確切。而且隨著二級緩存被集成入 CPU 內(nèi)核中，以往二級緩存與 CPU 大差距分頻的情況也被改變，此時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，往往也是在二級緩存上有差異。由此可見，二級緩存對于 CPU 的重要性。

　　CPU 在緩存中找到有用的數(shù)據(jù)被稱為命中，當(dāng)緩存中沒有 CPU 所需的數(shù)據(jù)時（這時稱為未命中），CPU 才訪問內(nèi)存。從理論上講，在一顆擁有二級緩存的 CPU 中，讀取一級緩存的命中率為 80%。也就是說，CPU 一級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% 從二級緩存中讀取。由于不能準(zhǔn)確預(yù)測將要執(zhí)行的數(shù)據(jù)，讀取二級緩存的命中率也在 80% 左右（從二級緩存讀到有用的數(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)是一個相當(dāng)小的比例了。目前的較高端的 CPU 中，還會帶有三級緩存，它是為讀取二級緩存后未命中的數(shù)據(jù)設(shè)計的種緩存，在擁有三級緩存的 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 訪問時有較高的命中率，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 近一段時間內(nèi) 少被訪問過的行淘汰出局。因此，需要為每行設(shè)置一個計數(shù)器，LRU 算法是把命中行的計數(shù)器清零，其他各行計數(shù)器加 1。當(dāng)需要替換時，淘汰行計數(shù)器計數(shù)值 大的數(shù)據(jù)行出局。這是一種高效、科學(xué)的算法。其計數(shù)器清零過程，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，一級緩存的容量基本在 4KB 到 64KB 之間，二級緩存的容量則分為 128KB、256KB、512KB、1MB、2MB 等。一級緩存容量，各產(chǎn)品之間相差不大，而二級緩存容量，則是提高 CPU 性能的關(guān)鍵。二級緩存容量的提升，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，對制造工藝的要求也就越高。