各級(jí)別CPU緩存的工作原理

一、前言

在過(guò)去的幾年中，計(jì)算機(jī)處理器取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，晶體管的尺寸每年都在變小，而且這種進(jìn)步達(dá)到了摩爾定律迅速變得多余的地步。

當(dāng)涉及到處理器時(shí)，不僅晶體管和頻率很重要，高速緩存也很重要。

在討論CPU(Central Processing Units)時(shí)，您可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)高速緩存。但是，我們并沒(méi)有過(guò)多地關(guān)注這些數(shù)字，它們也不是這些CPU廣告的主要亮點(diǎn)。

那么，CPU緩存到底有多重要，它又是如何工作的?

二、什么是CPU緩存?

首先，緩存只是一種非?？焖俚膬?nèi)存類型。您可能知道，計(jì)算機(jī)內(nèi)部有多種內(nèi)存類型。有一個(gè)主存儲(chǔ)(如硬盤或SSD)，用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)(操作系統(tǒng)和所有程序)。

接下來(lái)，我們有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，通常稱為RAM。這比主存儲(chǔ)要快得多。

最后，CPU自身具有更快的存儲(chǔ)單元，我們稱之為緩存。

計(jì)算機(jī)的內(nèi)存具有基于速度的層次結(jié)構(gòu)，而緩存位于該層次結(jié)構(gòu)的頂部，是最快的。它也是最靠近中央處理的地方，它是CPU本身的一部分。

高速緩存是靜態(tài)RAM(SRAM)，而系統(tǒng)RAM是動(dòng)態(tài)RAM(DRAM)。靜態(tài)RAM是一種可以保存數(shù)據(jù)但是不要用一直刷新的存儲(chǔ)器，與DRAM不同，SRAM更加適合用于高速緩存。

三、CPU緩存如何工作?

我們已經(jīng)知道，程序被設(shè)計(jì)為一組指令，最終由CPU運(yùn)行。

當(dāng)我們運(yùn)行程序的時(shí)候，這些指令必須從主存儲(chǔ)器取指令到CPU。這是內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)起作用的地方。

數(shù)據(jù)首先被加載到RAM中，然后被發(fā)送到CPU。因?yàn)镃PU每秒都能夠執(zhí)行大量指令。為了充分利用其功能，CPU需要訪問(wèn)超高速內(nèi)存，這是緩存的來(lái)源。

內(nèi)存控制器執(zhí)行從RAM中獲取數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到緩存的工作。根據(jù)系統(tǒng)中使用的CPU，此控制器可以位于主板的北橋芯片組上，也可以位于CPU本身內(nèi)部。

然后，高速緩存在CPU內(nèi)執(zhí)行數(shù)據(jù)的來(lái)回傳輸。內(nèi)存的層次結(jié)構(gòu)也存在于緩存中。

四、緩存級(jí)別：L1，L2和L3

CPU緩存分為三個(gè)主要的**“級(jí)別”**，即L1，L2和L3。這里的層次結(jié)構(gòu)是根據(jù)緩存速度來(lái)劃分的。

L1(1級(jí))高速緩存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存在的最快的內(nèi)存。就訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)而言，L1緩存具有CPU在完成特定任務(wù)時(shí)最可能需要的數(shù)據(jù)。

就其大小而言，L1高速緩存通常最多可達(dá)256KB。但是，一些真正功能強(qiáng)大的CPU現(xiàn)在將其占用近1MB?，F(xiàn)在，某些服務(wù)器芯片組(如Intel的高端Xeon CPU)具有1-2MB的一級(jí)緩存。

L1緩存通常也分為兩種方式，分為指令緩存和數(shù)據(jù)緩存。指令高速緩存處理有關(guān)CPU必須執(zhí)行的操作的信息，而數(shù)據(jù)高速緩存則保留要在其上執(zhí)行操作的數(shù)據(jù)。

L2(2級(jí))緩存比L1緩存慢，但大小更大。它的大小通常在256KB到8MB之間，盡管更新，功能強(qiáng)大的CPU往往會(huì)超過(guò)此大小。L2高速緩存保存下一步可能由CPU訪問(wèn)的數(shù)據(jù)。在大多數(shù)現(xiàn)代CPU中，L1和L2高速緩存位于CPU內(nèi)核本身，每個(gè)內(nèi)核都有自己的高速緩存。

L3(3級(jí))高速緩存是最大的高速緩存存儲(chǔ)單元，也是最慢的一個(gè)。它的范圍從4MB到50MB以上。現(xiàn)代CPU在CPU裸片上具有用于L3高速緩存的專用空間，并且占用了很大一部分空間。

五、緩存命中或未命中以及延遲

數(shù)據(jù)會(huì)從RAM依次流到L3高速緩存，然后是L2，最后是L1。

當(dāng)處理器正在尋找要執(zhí)行操作的數(shù)據(jù)時(shí)，它首先嘗試在L1高速緩存中找到它。如果CPU能夠找到它，則該情況稱為高速緩存命中。然后，它繼續(xù)在L2和L3中找到它。

如果找不到數(shù)據(jù)，它將嘗試從主內(nèi)存訪問(wèn)數(shù)據(jù)。這稱為高速緩存未命中。

現(xiàn)在，眾所周知，高速緩存旨在加快主內(nèi)存和CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸。

從內(nèi)存訪問(wèn)數(shù)據(jù)所需的時(shí)間稱為延遲，L1具有最低的延遲，是最快的，并且最接近核心，而L3具有最高的延遲。緩存未命中時(shí)，延遲會(huì)增加很多。這是因?yàn)镃PU必須從主存儲(chǔ)器中獲取數(shù)據(jù)。

隨著計(jì)算機(jī)變得越來(lái)越快和越來(lái)越好，我們看到延遲減少了。現(xiàn)在，我們擁有低延遲的DDR4 RAM，以及具有低訪問(wèn)時(shí)間的超高速SSD作為主要存儲(chǔ)，這兩項(xiàng)都大大降低了整體延遲。

以前，緩存設(shè)計(jì)曾經(jīng)使L2和L3緩存位于CPU外部，這對(duì)延遲產(chǎn)生了負(fù)面影響。

然而，CPU制造工藝的進(jìn)步使得在比以前更小的空間中安裝數(shù)十億個(gè)晶體管。因此，為緩存留出了更多空間，這使緩存盡可能地靠近核心，從而大大減少了延遲。

六、緩存的未來(lái)

緩存設(shè)計(jì)一直在發(fā)展，尤其是隨著內(nèi)存變得更便宜，更快和更密集。英特爾和AMD在緩存設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了相當(dāng)多的試驗(yàn)，英特爾甚至還在試驗(yàn)L4緩存。CPU市場(chǎng)正在以前所未有的速度向前發(fā)展。

這樣，我們必定會(huì)看到緩存設(shè)計(jì)跟上CPU不斷增長(zhǎng)的能力。

緩存設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了相當(dāng)多的試驗(yàn)，英特爾甚至還在試驗(yàn)L4緩存。CPU市場(chǎng)正在以前所未有的速度向前發(fā)展。

這樣，我們必定會(huì)看到緩存設(shè)計(jì)跟上CPU不斷增長(zhǎng)的能力。

此外，還有很多工作可以減少現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的瓶頸。減少內(nèi)存延遲可能是其中最大的一部分。業(yè)界正在為相同的解決方案而努力，并且未來(lái)看起來(lái)確實(shí)充滿希望。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：干貨 | CPU緩存L1，L2，L3的工作原理

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