一文了解CPU高速緩存

CPU的核心功能包括數(shù)據(jù)運算和指令控制。CPU運算的數(shù)據(jù)和執(zhí)行的指令全部存儲在CPU的寄存器中，這些數(shù)據(jù)和指令又都來自于CPU高速緩存。

最早的計算機系統(tǒng)存儲由主存儲和外部存儲兩部分組成，主存儲即是插在主板上的內(nèi)存，外部存儲是內(nèi)存以外的所有存儲設(shè)備。早期的計算機“系統(tǒng)”內(nèi)置在主板的ROM（一種斷電后數(shù)據(jù)不會丟失的內(nèi)存）中，而不是存儲在硬盤里，數(shù)據(jù)處理的方式也是將數(shù)據(jù)都加載到主存中進(jìn)行處理。所以硬盤驅(qū)動器與軟盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器等一樣都是外部存儲設(shè)備。主存是CPU和外部存儲之間的一個緩沖區(qū)，為高效的運算處理提供了保障。???

隨著CPU性能的提升，CPU的處理速度與內(nèi)存的傳輸速度逐漸拉開了差距。于是CPU中開始內(nèi)置更高速的內(nèi)存，緩解二者之間的性能差距，CPU中的內(nèi)存被稱作CPU緩存。

CPU緩存分為L1（一級緩存）、L2（二級緩存）、L3（三級緩存），也是隨著CPU的演進(jìn)逐漸發(fā)展出來。???????

L1緩存是針對CPU內(nèi)核中寄存器存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。L1d緩存指令數(shù)據(jù)，例如變量和數(shù)組；L1i緩存二進(jìn)制的指令。兩個L1緩存可同時被CPU訪問，避免了資源沖突，而且封裝在CPU內(nèi)部有很高的執(zhí)行效率。???

L2緩存是CPU單個核心中的“通用”緩存，存儲的數(shù)據(jù)與內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致，主要功能就是為內(nèi)存提速。早期L2緩存集成在CPU的電路板或主板之上，現(xiàn)在與每個CPU核心獨立集成在一起。L2緩存速度比內(nèi)存要快很多，是提升性能的重要部件。

L3緩存是為了解決L2級別緩存容量問題而擴充的緩存。L3緩存的集成方式也是從CPU外部逐漸轉(zhuǎn)移到CPU內(nèi)部。到了多核CPU時代，L3緩存主要作用是實現(xiàn)多個核心之間的數(shù)據(jù)交換，但對CPU性能提升的幫助不大。

CPU中緩存示意圖

隨著技術(shù)的發(fā)展，存儲器的性能越來越高，通用型的存儲都逐漸統(tǒng)一為內(nèi)存型存儲設(shè)備。軟盤基本已經(jīng)消聲滅跡（日本銀行的老舊系統(tǒng)仍然在使用），光盤通常出現(xiàn)在播放器和游戲機中，個人計算機和服務(wù)器也逐漸采用固態(tài)硬盤，磁盤介質(zhì)的硬盤驅(qū)動器只能應(yīng)用在低成本大數(shù)據(jù)量的存儲場景和備份場景。但是，速度又快、容量又大的存儲永遠(yuǎn)都要付出高昂的成本。我們只能在整個系統(tǒng)中增加少量的高速緩存，緩解這個矛盾。

審核編輯：劉清