CPU緩存是什么意思 二級緩存簡介
發(fā)布時間:2012-12-27 10:38:27 作者:佚名
我要評論

CPU緩存(Cache Memory)是位于CPU與內(nèi)存之間的臨時存儲器,它的容量比內(nèi)存小但交換速度快。在緩存中的數(shù)據(jù)是內(nèi)存中的一小部分,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
首先來和大家解釋下CPU緩存是什么意思?以及簡單的介紹下什么是二級緩存?給各位電腦新手朋友補下相關(guān)的硬件知識。
CPU緩存(Cache Memory)是位于CPU與內(nèi)存之間的臨時存儲器,它的容量比內(nèi)存小但交換速度快。在緩存中的數(shù)據(jù)是內(nèi)存中的一小部分,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?!?br /> 緩存的工作原理是當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行,不必再調(diào)用內(nèi)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(shù)CPU可達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。總的來說,CPU讀取數(shù)據(jù)的順序是先緩存后內(nèi)存。

最早先的CPU緩存是個整體的,而且容量很低,英特爾公司從Pentium時代開始把緩存進行了分類。當時集成在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。一級緩存中還分數(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,提高了處理器效能。英特爾公司在推出Pentium 4處理器時,用新增的一種一級追蹤緩存替代指令緩存,容量為12KμOps,表示能存儲12K條微指令。
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。
什么是二級緩存?
二級緩存是CPU性能表現(xiàn)的關(guān)鍵之一,在CPU核心不變化的情況下,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“最近最少使用算法”(LRU算法),它是將最近一段時間內(nèi)最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。當需要替換時淘汰行計數(shù)器計數(shù)值最大的數(shù)據(jù)行出局。這是一種高效、科學的算法,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緩存(Cache Memory)是位于CPU與內(nèi)存之間的臨時存儲器,它的容量比內(nèi)存小但交換速度快。在緩存中的數(shù)據(jù)是內(nèi)存中的一小部分,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?!?br /> 緩存的工作原理是當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行,不必再調(diào)用內(nèi)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(shù)CPU可達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。總的來說,CPU讀取數(shù)據(jù)的順序是先緩存后內(nèi)存。

最早先的CPU緩存是個整體的,而且容量很低,英特爾公司從Pentium時代開始把緩存進行了分類。當時集成在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。一級緩存中還分數(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,提高了處理器效能。英特爾公司在推出Pentium 4處理器時,用新增的一種一級追蹤緩存替代指令緩存,容量為12KμOps,表示能存儲12K條微指令。
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。
什么是二級緩存?
二級緩存是CPU性能表現(xiàn)的關(guān)鍵之一,在CPU核心不變化的情況下,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“最近最少使用算法”(LRU算法),它是將最近一段時間內(nèi)最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。當需要替換時淘汰行計數(shù)器計數(shù)值最大的數(shù)據(jù)行出局。這是一種高效、科學的算法,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。
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