緩存對(duì)CPU性能造成影響的有哪些

時(shí)間：2017-01-05 10:01:39 鎮(zhèn)權(quán)965由分享

　　CPU緩存(Cache Memoney)就是位于CPU與內(nèi)存之間的臨時(shí)存儲(chǔ)器，它的容量比內(nèi)存小但數(shù)據(jù)交換速率卻快很多。下面是學(xué)習(xí)啦小編為大家介紹緩存對(duì)CPU性能造成影響的誤區(qū),歡迎大家閱讀。

　　緩存對(duì)CPU性能造成影響的誤區(qū)

　　【圖】處理器緩存工作原理

　　緩存的工作原理是當(dāng)CPU要讀取一個(gè)數(shù)據(jù)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;如果沒有找到，就用相對(duì)慢的速度從內(nèi)存中讀取并送給CPU處理，同時(shí)把這個(gè)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(duì)整塊數(shù)據(jù)的讀取都從緩存中進(jìn)行，不必再調(diào)用內(nèi)存。

　　【圖】處理器緩存構(gòu)造

　　正是這樣的讀取機(jī)制使CPU讀取緩存的命中率非常高(大多數(shù)CPU可達(dá)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(shí)間，也使CPU讀取數(shù)據(jù)時(shí)基本無需等待?？偟膩碚f，CPU讀取數(shù)據(jù)的順序是先緩存后內(nèi)存。

　　【圖】L2級(jí)緩存

　　在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的處理器緩存世界中，事實(shí)上還有很多不為大眾所了解的“內(nèi)幕”，今天筆者將圍繞很多玩家還存在的四種認(rèn)識(shí)誤區(qū)展開，感興趣的玩家一定不要錯(cuò)過哦。

　　錯(cuò)誤觀點(diǎn)一：處理器緩存可以用來取代內(nèi)存

　　處理器緩存的傳輸速率確實(shí)很高，然而還不足以取代內(nèi)存的地位，這主要是由于緩存只是內(nèi)存中少部分?jǐn)?shù)據(jù)的復(fù)制品，所以CPU到緩存中尋找數(shù)據(jù)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)找不到的情況(因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)沒有從內(nèi)存復(fù)制到緩存中去)，這時(shí)CPU還是會(huì)到內(nèi)存中去找數(shù)據(jù)。與此同時(shí)系統(tǒng)的速度就慢了下來，不過CPU會(huì)把這些數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中去，以便下一次不用再到內(nèi)存中去取。就目前緩存容量、成本以及功耗表現(xiàn)來看，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法與內(nèi)存抗衡，另外從某種意義上來說，內(nèi)存也是處理器緩存的一種表現(xiàn)形式，只不過在速率上慢很多，然而卻在容量、功耗以及成本方面擁有巨大優(yōu)勢(shì)。如果內(nèi)存在將來可以做到足夠強(qiáng)的話，反而很有取代處理器緩存的可能。

　　錯(cuò)誤觀點(diǎn)二：處理器緩存是一個(gè)整體

　　【圖】生產(chǎn)技術(shù)對(duì)緩存容量大小的影響

　　【圖】PCB上帶緩存的PentiumIII處理器

　　事實(shí)上最早先的CPU緩存確實(shí)是個(gè)整體，而且容量也很低。英特爾公司從Pentium時(shí)代開始后就把緩存進(jìn)行了分類，當(dāng)時(shí)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(shí)就把CPU內(nèi)核集成的緩存稱為一級(jí)緩存，而外部的稱為二級(jí)緩存;后來隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，最終二級(jí)緩存也被挪進(jìn)了處理器當(dāng)中。通常一級(jí)緩存中還分?jǐn)?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(shí)被CPU訪問，減少了爭(zhēng)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(shí)，還新增了一種一級(jí)追蹤緩存，容量為12KB。

　　錯(cuò)誤觀點(diǎn)三：L1級(jí)緩存和L2級(jí)緩存只有容量上的差別

　　用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的緩存部分通常被稱為RAM，掉電以后其中的信息就會(huì)消失。RAM又分兩種，其中一種是靜態(tài)RAM(SRAM);另外一種是動(dòng)態(tài)RAM(DRAM)。前者的存儲(chǔ)速度要比后者快得多，我們現(xiàn)在使用的內(nèi)存一般都是動(dòng)態(tài)RAM。處理器的L1級(jí)緩存通常都是靜態(tài)RAM，速度非常的快，但是靜態(tài)RAM集成度低(存儲(chǔ)相同的數(shù)據(jù)，靜態(tài)RAM的體積是動(dòng)態(tài)RAM的6倍)，而且價(jià)格也相對(duì)較為昂貴(同容量的靜態(tài)RAM是動(dòng)態(tài)RAM的四倍)。擴(kuò)大靜態(tài)RAM作為緩存是一個(gè)不太合算的做法，但是為了提高系統(tǒng)的性能和速度又必須要擴(kuò)大緩存，這就有了一個(gè)折中的方法：在不擴(kuò)大原來的靜態(tài)RAM緩存容量的情況下，僅僅增加一些高速動(dòng)態(tài)RAM做為L2級(jí)緩存。高速動(dòng)態(tài)RAM速度要比常規(guī)動(dòng)態(tài)RAM快，但比原來的靜態(tài)RAM緩存慢，而且成本也較為適中。一級(jí)緩存和二級(jí)緩存中的內(nèi)容都是內(nèi)存中訪問頻率高的數(shù)據(jù)的復(fù)制品(映射)，它們的存在都是為了減少高速CPU對(duì)慢速內(nèi)存的訪問。

　　二級(jí)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(jí)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(jí)緩存上存在差異，由此可見二級(jí)緩存對(duì)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(dāng)緩存中沒有CPU所需的數(shù)據(jù)時(shí)(這時(shí)稱為未命中)，CPU才訪問內(nèi)存。從理論上講，在一顆擁有二級(jí)緩存的CPU中，讀取一級(jí)緩存的命中率為80%。也就是說CPU一級(jí)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(jí)緩存中讀取。由于不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)將要執(zhí)行的數(shù)據(jù)，讀取二級(jí)緩存的命中率也在80%左右(從二級(jí)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(gè)相當(dāng)小的比例了。目前的較高端CPU中，還會(huì)帶有三級(jí)緩存，它是為讀取二級(jí)緩存后未命中的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的—種緩存，在擁有三級(jí)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(jìn)一步提高了CPU的效率，從某種意義上說，預(yù)取效率的提高，大大降低了生產(chǎn)成本卻提供了非常接近理想狀態(tài)的性能。除非某天生產(chǎn)技術(shù)變得非常強(qiáng)，否則內(nèi)存仍會(huì)存在，緩存的性能遞增特性也仍會(huì)保留。

　　錯(cuò)誤觀點(diǎn)四：緩存只是隨意調(diào)取數(shù)據(jù)并無選擇

　　即便處理器內(nèi)部集成的緩存數(shù)據(jù)交換能力非常強(qiáng)，也仍需要對(duì)調(diào)取數(shù)據(jù)做一定的篩選。這是因?yàn)殡S著時(shí)間的變化，被訪問得最頻繁的數(shù)據(jù)不是一成不變的，也就是說，剛才還不頻繁的數(shù)據(jù)，此時(shí)已經(jīng)需要被頻繁的訪問，剛才還是最頻繁的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在又不頻繁了，所以說緩存中的數(shù)據(jù)要經(jīng)常按照一定的算法來更換，這樣才能保證緩存中的數(shù)據(jù)經(jīng)常是被訪問最頻繁的。命中率算法中較常用的“最近最少使用算法”(LRU算法)，它是將最近一段時(shí)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(gè)計(jì)數(shù)器，LRU算法是把命中行的計(jì)數(shù)器清零，其他各行計(jì)數(shù)器加1。當(dāng)需要替換時(shí)淘汰行計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值最大的數(shù)據(jù)行出局。這是一種高效、科學(xué)的算法，其計(jì)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。

　　【圖】擁有144MB緩存的八路IBM POWER5處理器

　　總結(jié)：

　　高速緩存做為處理器不可分割的一部分，已經(jīng)融入到性能提升的考慮因素當(dāng)中，伴隨生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，緩存的級(jí)數(shù)還將增加，容量也會(huì)進(jìn)一步提高。作為處理器性能助推器的高速緩存，仍會(huì)在成本和功耗控制發(fā)揮巨大的優(yōu)勢(shì)，而性能方面也會(huì)有長足的發(fā)展。可以毫不夸張的說：緩存技術(shù)帶領(lǐng)處理器走進(jìn)了多彩的天堂。

緩存對(duì)CPU性能造成影響的有哪些相關(guān)文章：