CPU緩存作用知識科普

時間：2024-01-28 12:16:34 懷健20由分享

說到CPU的規格參數，相信很多小伙伴都看到過電商、評測、官方的各種表格，大家覺著最重要的是什么?第幾代核心?頻率?還是制造工藝?從這些參數在表格里的位置就知道，它們確實很重要，不過和它們一起擠在表格最前面的，常常還有“緩存”這個參數，下面就讓小編帶你去看看CPU緩存作用知識科普，希望能幫助到大家!

CPU緩存的作用

CPU緩存(CPU Cache)是位于CPU與內存之間的靜態隨機存取存儲器(StaticRandom Access Memory，SRAM)。所謂“靜態”指的是這種存儲器只要保持通電，里面存儲的數據就可以恒常保持。相比之下，電腦的內存——動態隨機存取存儲器(DRAM)里面所存儲的數據則需要周期性地刷新。

內存簡介

電腦存儲器

SRAM的優勢在于它不需要像DRAM一樣刷新(每隔一段時間充電一次)電路就能保存它內部存儲的數據。因此緩存(SRAM)具有比內存(DRAM)更高的性能。SRAM的缺點是SRAM集成度較低，功耗較DRAM大，相同容量的DRAM內存可以設計得更小，但SRAM卻需要保持很大的體積，因此SRAM更加昂貴。

2.CPU緩存的工作原理

電腦在運行程序時，當CPU要讀取一個數據，首先將從緩存中查找，如果找到就立即送給CPU處理。緩存與CPU之間的數據交換速度要比CPU和內存之間快得多。

如果CPU沒有在緩存中找到需要的數據。

就用相對慢的速度從內存中讀取并送給CPU處理。

同時把這個數據所在的數據塊調入緩存中。

這樣，可以使得下次再使用同樣的數據時，可以通過緩存快速讀取，而不必再調用內存。而CPU在需要訪問特定的數據時，也會先檢查一下緩存，看看其中是不是有自己需要的數據。

這樣的數據讀取機制使CPU讀取緩存數據的命中率(hit)非常高(90%左右)，也就是說經過上面所示的數據讀取與調用后，CPU經常要用的數據很大可能被保存在了緩存中，當它下一次要讀取相同的數據時，90%的數據都在緩存中了，無需再從較遠的內存中調用。這大大節省了CPU直接讀取內存的時間，也使CPU讀取數據時基本無需訪問內存。

一臺電腦如果沒有CPU緩存，它雖然仍可以工作，但是相比擁有CPU緩存的電腦，它的運行速度會慢很多。

3.CPU緩存解決的問題

由于CPU核心的發展速度遠遠超過了內存技術的發展速度，導致CPU處理數據的速度太快，快到內存提供的數據跟不上CPU處理數據的速度。緩存沒有出現之前，在處理器時鐘周期內，CPU常常需要等待內存供應數據，這不僅浪費資源，還降低了CPU的工作效率。

因此緩存便應運而生，它的出現是為了緩解CPU和內存之間速度的不匹配問題。

緩存的出現解決了CPU運行速度提升的瓶頸問題。

4.CPU的三級緩存

CPU緩存有三種不同的等級，包括L1一級緩存、L2二級緩存、L3三級緩存。

L1一級緩存

L1一級緩存也被稱為“主緩存”，這個名詞出現應該是在Intel公司奔騰(Pentium)處理器時代把緩存開始分類的時候，當時在CPU內部集成的CPU緩存已經不能滿足整機的性能需求，而制造工藝上的限制不能在CPU內部大幅提高緩存的數量，所以出現了集成在主板上的緩存，當時人們把CPU內部集成的CPU緩存成為一級緩存，而把CPU外部主板上的緩存稱為二級緩存。

一級緩存位于CPU的內部，CPU訪問它速度與CPU自身的速度相當，因此一級緩存速度非常快。它是電腦中速度最快的緩存。

一級緩存其實還分為一級數據緩存(Data Cache，D-Cache，L1d)和一級指令緩存(Instruction Cache，I-Cache，L1i)，分別用于存放數據及執行數據的指令解碼，兩者可同時被CPU訪問，減少了CPU多核心、多線程爭用緩存造成的沖突，提高了處理器的效能。一般CPU的L1i和L1d具備相同的容量，例如i7-8700K的L1即為32KB+32KB。

L2二級緩存

L2二級緩存也被稱為“外部緩存”。它被用于存儲最近被處理器訪問但還沒有被一級緩存存儲的數據。二級緩存的容量要比一級緩存大，但速度卻沒有一級緩存那么快。

概括地說CPU在尋找需要的數據時，沒有在一級緩存中找到自己需要的數據，它便會搜索二級緩存。

隨著CPU制造工藝的發展，本來處于CPU外部的二級緩存也可以輕易地集成進CPU內部。

在這種情況下再用緩存是否處于CPU內部來判斷一、二級緩存已經不再確切。集成進CPU的二級緩存運行速率漸漸可以跟上CPU的運行速度了。

L3三級緩存

早期，出現L3三級緩存的CPU是AMD的K6-III處理器，當時受限于制造工藝，L3只能集成在主板上。隨后Intel首次推出L3三級緩存的CPU是Itanium安騰服務器處理器，接著就是P4EE和至強MP。

三級緩存的出現其實對CPU性能提升呈一個爬坡曲線——三級緩存在0到2M的情況下CPU性能提升非常明顯，但三級緩存在2M到6M下，對CPU性能的提升可能就只有10%不到了，這是在近代CPU多核共享L3的情況下;當L3集成進CPU正式成為CPU內部緩存后，CPU處理數據時只有5%需要在內存中調用數據，進一步地減少了內存延遲，使系統的響應更為快速。

同理，三級緩存是二級緩存與主內存之間的緩沖器，主要體現在提升CPU對大數據處理方面的性能，對游戲表現方面有較大的幫助。

三級緩存的容量比二級緩存要大，但速度卻比二級緩存要慢。三級緩存也被稱為共享緩存。因為它的存儲空間是被CPU之間的所有內核共享的。

而一級和二級緩存則是專用的，CPU中每個核心都有自己的一級和二級核心。

總結

由于數據的局限性，CPU往往需要在短時間內重復多次讀取數據，內存的運行頻率自然是遠遠跟不上CPU的處理速度的。此時，緩存的重要性就凸顯出來了，CPU可以避開內存在緩存里讀取到想要的數據，稱之為命中(hit)。一級的運行速度很快，但是它的數據容量很小，CPU能在一級緩存里命中的概率大概在80%左右;二級、三級緩存的機制也類似如此。這樣一來，電腦在運行程序時，CPU需要在內存中讀取的數據大概為其所需數據的5%-10%，其余數據命中全部可以在L1、L2、L3中做到，這大大減少了系統的響應時間，總的來說，所有CPU讀取數據的順序都是先緩存再內存。

為了加深讀者對CPU緩存和三級緩存的了解，這里用一個比喻來總結以上內容。

如果我們把CPU中的一個核心可以看成是一個只會算加減乘除以及與或非之類的簡單邏輯運算的小學生，它的任務也就是不停地算一個個的加減乘除與或非這樣的計算題。

CPU緩存有什么用?來，科普一下!

CPU沒有存儲功能，那么緩存到底是干什么的?CPU緩存是用于減少處理器訪問內存所需平均時間的部件，作用類似于CPU內部的內存。

更詳細來講，在計算機系統中，CPU高速緩存在金字塔式存儲體系中它位于自頂向下的第二層，僅次于CPU寄存器。其容量遠小于內存，但速度卻可以接近處理器的頻率，比內存快得多。

緩存的出現主要是為了解決CPU運算速度與內存讀寫速度不匹配的矛盾，因為CPU運算速度要比內存讀寫速度快很多，這樣會使CPU花費很長時間等待數據到來或把數據寫入內存。

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。

之所以CPU需要采用這種層級結構，主要就是是從成本、性能、容量還有面積上來平衡的。

提升命中率：所謂的命中率是在高速緩存中找到內存引用的速率，我們希望能夠首先通過緩存中獲得信息，以得到速度優勢，所以緩存需要最大限度地實現這一目標。對于單個高速緩存，大小、關聯性和塊大小決定命中率。

降低更低級別內存下的開銷：高速緩存是內存層次結構的一部分，其性能會影響其它性能，處理其它內存花費的時間越長，意味著系統性能越低，也就是說盡可能讓處理在緩存中完成。

減少錯失懲罰：緩存中不能命中是無法避免的事情，但是我們可以減少處理未命中所需的時間以獲得更好的處理器性能，通過提升命中率并通過應用不同的優化，能夠降低錯失懲罰。

高速緩存是CPU中十分重要的部分，占據了大量的資源開銷和成本，如果您看過CPU架構圖的話，您就會發現緩存占據了至少50%的面積，絕對至關重要。

CPU緩存是什么知道它挑選更明智

現在大家看到的CPU緩存一般分三級，就是一級緩存(L1 Cache)、二級緩存(L2 Cache)和三級緩存(L3 Cache)，它們的位置、大小、作用差別都很大，咱們分別說說。

CPU的一級緩存一般做在CPU的每個核心內部，因為空間受限，不會很大，都是幾十kB。它們的任務是存儲核心計算時候的暫時性數據，可以說是每個核心自用的小內存，更形象地說就是給每個核心童鞋計算時配的草稿紙。

二級緩存同樣是跟著每個核心的，一般有幾百kB，它也只存儲每個核心自己的數據，這點類似更大但更慢的一級緩存。此外它存儲的是比較“成型”的數據結果，這些數據要和三級緩存做交流的。形象地說，就是除了草稿之外，也存了不少核心童鞋需要處理和已經做完，要上交的作業、試卷。

三級緩存可就大了，現在主流CPU的配備都是成MB的，一般是整個CPU或者其中的某幾個核心共用。它首先是多個核心的“會議桌”，相互間的數據交換都在這里進行，當然內置顯示核心也要使用。另外它也和硬盤等配件的緩存一樣，負責和內存交換數據。

一般來說，英特爾和AMD的一、二級緩存容量差不多，但三級差別很大，比如同樣是中端CPU，銳龍5就有十幾、幾十MB的三級緩存，酷睿i5只有幾MB，高端就差更多了。這樣銳龍就可以靠大緩存把盡量多數據放在身邊，減少對內存的依賴，提升性能，從現在對銳龍大量的“真香”評論可以看出，這招真的很管用。

雖然用第三代銳龍的超大緩存舉例有點極端，不過挺能說明問題，就是“核心效率不夠高，緩存幫你性能提一提”。所以在選擇CPU的時候，如果感覺核心有點過時，或者頻率有點低的話，不妨看一看緩存，如果緩存比對手大不少，那么還是可以考慮的，其實低頻率的筆記本CPU常常也是這樣做的哦。