CPU一級緩存是什么意思

　　CPU緩存(Cache Memory)是位于CPU與內存之間的臨時(shí)存儲器，它的容量比內存小的多但是交換速度卻比內存要快得多。下面是yjbys小編帶來(lái)的CPU一級緩存的相關(guān)知識，希望對你有幫助!

　　在緩存中的數據是內存中的一小部分，但這一小部分是短時(shí)間內CPU即將訪(fǎng)問(wèn)的，當CPU調用大量數據時(shí)，就可避開(kāi)內存直接從緩存中調用，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)內存儲器(緩存+內存)就變成了既有緩存的高速度，又有內存的大容量的存儲系統了。緩存對CPU的性能影響很大，主要是因為CPU的數據交換順序和CPU與緩存間的帶寬引起的。

　　緩存的工作原理是當CPU要讀取一個(gè)數據時(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，就用相對慢的速度從內存中讀取并送給CPU處理，同時(shí)把這個(gè)數據所在的數據塊調入緩存中，可以使得以后對整塊數據的讀取都從緩存中進(jìn)行，不必再調用內存。

　　正是這樣的讀取機制使CPU讀取緩存的命中率非常高(大多數CPU可達90%左右)，也就是說(shuō)CPU下一次要讀取的數據90%都在緩存中，只有大約10%需要從內存讀取。這大大節省了CPU直接讀取內存的時(shí)間，也使CPU讀取數據時(shí)基本無(wú)需等待�？偟膩�(lái)說(shuō)，CPU讀取數據的順序是先緩存后內存。

　　目前緩存基本上都是采用SRAM存儲器，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器，不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據。不像DRAM內存那樣需要刷新電路，每隔一段時(shí)間，固定要對DRAM刷新充電一次，否則內部的數據即會(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內存可以設計為較小的體積，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)是節能、速度快、不必配合內存刷新電路、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)鍵性系統以提高效率。

　　按照數據讀取順序和與CPU結合的緊密程度，CPU緩存可以分為一級緩存，二級緩存，部分高端CPU還具有三級緩存，每一級緩存中所儲存的全部數據都是下一級緩存的一部分，這三種緩存的技術(shù)難度和制造成本是相對遞減的，所以其容量也是相對遞增的。當CPU要讀取一個(gè)數據時(shí)，首先從一級緩存中查找，如果沒(méi)有找到再從二級緩存中查找，如果還是沒(méi)有就從三級緩存或內存中查找。

　　一般來(lái)說(shuō)，每級緩存的命中率大概都在80%左右，也就是說(shuō)全部數據量的80%都可以在一級緩存中找到，只剩下20%的總數據量才需要從二級緩存、三級緩存或內存中讀取，由此可見(jiàn)一級緩存是整個(gè)CPU緩存架構中最為重要的部分。

　　一級緩存(Level 1 Cache)簡(jiǎn)稱(chēng)L1 Cache，位于CPU內核的旁邊，是與CPU結合最為緊密的CPU緩存，也是歷史上最早出現的CPU緩存。由于一級緩存的技術(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，而且現有的一級緩存的命中率已經(jīng)很高，所以一級緩存是所有緩存中容量最小的，比二級緩存要小得多。

　　一般來(lái)說(shuō)，一級緩存可以分為一級數據緩存(Data Cache，D-Cache)和一級指令緩存(Instruction Cache，I-Cache)。二者分別用來(lái)存放數據以及對執行這些數據的指令進(jìn)行即時(shí)解碼，而且兩者可以同時(shí)被CPU訪(fǎng)問(wèn)，減少了爭用Cache所造成的沖突，提高了處理器效能。目前大多數CPU的一級數據緩存和一級指令緩存具有相同的容量，例如AMD的Athlon XP就具有64KB的一級數據緩存和64KB的一級指令緩存，其一級緩存就以64KB+64KB來(lái)表示，其余的CPU的一級緩存表示方法以此類(lèi)推。

　　Intel的采用NetBurst架構的CPU(最典型的就是Pentium 4)的一級緩存有點(diǎn)特殊，使用了新增加的一種一級追蹤緩存(Execution Trace Cache，T-Cache或ETC)來(lái)替代一級指令緩存，容量為12KμOps，表示能存儲12K條即12000條解碼后的微指令。

　　一級追蹤緩存與一級指令緩存的運行機制是不相同的，一級指令緩存只是對指令作即時(shí)的解碼而并不會(huì )儲存這些指令，而一級追蹤緩存同樣會(huì )將一些指令作解碼，這些指令稱(chēng)為微指令(micro-ops),而這些微指令能儲存在一級追蹤緩存之內，無(wú)需每一次都作出解碼的程序，因此一級追蹤緩存能有效地增加在高工作頻率下對指令的解碼能力，而μOps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微型架構使用執行跟蹤緩存，將解碼器從執行循環(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并行機制。Intel并沒(méi)有公布一級追蹤緩存的實(shí)際容量，只知道一級追蹤緩存能儲存12000條微指令(micro-ops)。所以，不能簡(jiǎn)單地用微指令的數目來(lái)比較指令緩存的大小。

　　實(shí)際上，單核心的NetBurst架構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(xiàn)程技術(shù)的話(huà)，12KμOps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(xiàn)程技術(shù)時(shí)會(huì )導致性能下降的重要原因。

　　例如Northwood核心的一級緩存為8KB+12KμOps，就表示其一級數據緩存為8KB，一級追蹤緩存為12KμOps;而Prescott核心的一級緩存為16KB+12KμOps，就表示其一級數據緩存為16KB，一級追蹤緩存為12KμOps。在這里12KμOps絕對不等于12KB，單位都不同，一個(gè)是μOps，一個(gè)是Byte(字節)，而且二者的運行機制完全不同。所以那些把Intel的CPU一級緩存簡(jiǎn)單相加，例如把Northwood核心說(shuō)成是20KB一級緩存，把Prescott核心說(shuō)成是28KB一級緩存，并且據此認為Intel處理器的一級緩存容量遠遠低于A(yíng)MD處理器128KB的一級緩存容量的看法是完全錯誤的，二者不具有可比性。

　　在架構有一定區別的CPU對比中，很多緩存已經(jīng)難以找到對應的東西，即使類(lèi)似名稱(chēng)的緩存在設計思路和功能定義上也有區別了，此時(shí)不能用簡(jiǎn)單的算術(shù)加法來(lái)進(jìn)行對比;而在架構極為近似的CPU對比中，分別對比各種功能緩存大小才有一定的意義。

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