CPU緩存L1/L2/L3工作原理
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作者 |?小麥大叔
一、前言
在過去的幾年中，計算機處理器取得了相當大的進步，晶體管的尺寸每年都在變小，而且這種進步達到了摩爾定律迅速變得多余的地步。
當涉及到處理器時，不僅晶體管和頻率很重要，高速緩存也很重要。
在討論CPU(Central Processing Units)時，您可能聽說過高速緩存。但是，我們并沒有過多地關注這些數(shù)字，它們也不是這些CPU廣告的主要亮點。
那么，CPU緩存到底有多重要，它又是如何工作的?
二、什么是CPU緩存?
首先，緩存只是一種非常快速的內存類型。您可能知道，計算機內部有多種內存類型。有一個主存儲(如硬盤或SSD)，用于存儲大量數(shù)據(jù)(操作系統(tǒng)和所有程序)。
接下來，我們有隨機存取存儲器，通常稱為RAM。這比主存儲要快得多。
最后，CPU自身具有更快的存儲單元，我們稱之為緩存。
計算機的內存具有基于速度的層次結構，而緩存位于該層次結構的頂部，是最快的。它也是最靠近中央處理的地方，它是CPU本身的一部分。
高速緩存是靜態(tài)RAM(SRAM)，而系統(tǒng)RAM是動態(tài)RAM(DRAM)。靜態(tài)RAM是一種可以保存數(shù)據(jù)但是不要用一直刷新的存儲器，與DRAM不同，SRAM更加適合用于高速緩存。
三、CPU緩存如何工作?
我們已經(jīng)知道，程序被設計為一組指令，最終由CPU運行。
當我們運行程序的時候，這些指令必須從主存儲器取指令到CPU。這是內存層次結構起作用的地方。
數(shù)據(jù)首先被加載到RAM中，然后被發(fā)送到CPU。因為CPU每秒都能夠執(zhí)行大量指令。為了充分利用其功能，CPU需要訪問超高速內存，這是緩存的來源。
內存控制器執(zhí)行從RAM中獲取數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到緩存的工作。根據(jù)系統(tǒng)中使用的CPU，此控制器可以位于主板的北橋芯片組上，也可以位于CPU本身內部。
然后，高速緩存在CPU內執(zhí)行數(shù)據(jù)的來回傳輸。內存的層次結構也存在于緩存中。
四、緩存級別：L1，L2和L3
CPU緩存分為三個主要的級別，即L1，L2和L3。這里的層次結構是根據(jù)緩存速度來劃分的。
L1(1級)高速緩存是計算機系統(tǒng)中存在的最快的內存。就訪問優(yōu)先級而言，L1緩存具有CPU在完成特定任務時最可能需要的數(shù)據(jù)。
就其大小而言，L1高速緩存通常最多可達256KB。但是，一些真正功能強大的CPU現(xiàn)在將其占用近1MB。現(xiàn)在，某些服務器芯片組(如Intel的高端Xeon CPU)具有1-2MB的一級緩存。
L1緩存通常也分為兩種方式，分為指令緩存和數(shù)據(jù)緩存。指令高速緩存處理有關CPU必須執(zhí)行的操作的信息，而數(shù)據(jù)高速緩存則保留要在其上執(zhí)行操作的數(shù)據(jù)。
L2(2級)緩存比L1緩存慢，但大小更大。它的大小通常在256KB到8MB之間，盡管更新，功能強大的CPU往往會超過此大小。L2高速緩存保存下一步可能由CPU訪問的數(shù)據(jù)。在大多數(shù)現(xiàn)代CPU中，L1和L2高速緩存位于CPU內核本身，每個內核都有自己的高速緩存。
L3(3級)高速緩存是最大的高速緩存存儲單元，也是最慢的一個。它的范圍從4MB到50MB以上?，F(xiàn)代CPU在CPU裸片上具有用于L3高速緩存的專用空間，并且占用了很大一部分空間。
五、緩存命中或未命中以及延遲
數(shù)據(jù)會從RAM依次流到L3高速緩存，然后是L2，最后是L1。
當處理器正在尋找要執(zhí)行操作的數(shù)據(jù)時，它首先嘗試在L1高速緩存中找到它。如果CPU能夠找到它，則該情況稱為高速緩存命中。然后，它繼續(xù)在L2和L3中找到它。
如果找不到數(shù)據(jù)，它將嘗試從主內存訪問數(shù)據(jù)。這稱為高速緩存未命中。
現(xiàn)在，眾所周知，高速緩存旨在加快主內存和CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸。
從內存訪問數(shù)據(jù)所需的時間稱為延遲，L1具有最低的延遲，是最快的，并且最接近核心，而L3具有最高的延遲。緩存未命中時，延遲會增加很多。這是因為CPU必須從主存儲器中獲取數(shù)據(jù)。
隨著計算機變得越來越快和越來越好，我們看到延遲減少了?，F(xiàn)在，我們擁有低延遲的DDR4 RAM，以及具有低訪問時間的超高速SSD作為主要存儲，這兩項都大大降低了整體延遲。
以前，緩存設計曾經(jīng)使L2和L3緩存位于CPU外部，這對延遲產(chǎn)生了負面影響。
然而，CPU制造工藝的進步使得在比以前更小的空間中安裝數(shù)十億個晶體管。因此，為緩存留出了更多空間，這使緩存盡可能地靠近核心，從而大大減少了延遲。
六、緩存的未來
緩存設計一直在發(fā)展，尤其是隨著內存變得更便宜，更快和更密集。英特爾和AMD在緩存設計方面進行了相當多的試驗，英特爾甚至還在試驗L4緩存。CPU市場正在以前所未有的速度向前發(fā)展。
這樣，我們必定會看到緩存設計跟上CPU不斷增長的能力。
緩存設計方面進行了相當多的試驗，英特爾甚至還在試驗L4緩存。CPU市場正在以前所未有的速度向前發(fā)展。
這樣，我們必定會看到緩存設計跟上CPU不斷增長的能力。
此外，還有很多工作可以減少現(xiàn)代計算機的瓶頸。減少內存延遲可能是其中最大的一部分。業(yè)界正在為相同的解決方案而努力，并且未來看起來確實充滿希望。
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