3.4　了解提高CPU性能的缓存

缓存是决定CPU性能的主要参数之一，它是存在于内存与CPU之间的存储器，虽然容量比较小但速度比内存高得多，接近于CPU的速度，是用于减少CPU访问内存所需的平均时间的部件。结构上，一个直接匹配缓存由若干缓存段构成，每个缓存段存储具有连续内存地址的若干个存储单元。

高速缓存的工作原理是：当CPU要读取一个数据时，首先从高速缓存中查找，如果找到就立即读取并进行处理，这个过程只需2～4纳秒；如果没有找到，就用相对慢的速度从内存中读取并进行处理，同时把这个数据所在的数据块调入高速缓存中，这样可以使得以后对整块数据的读取都从高速缓存中进行，不必再到内存调用，这个过程需要花费最少120纳秒，如图3-14所示。

为了更好地了解缓存，我们可以将CPU理解为位于市中心的工厂，内存为位于远郊的仓库，而缓存则位于CPU与内存之间。CPU、缓存、内存的位置关系如图3-15所示。距离CPU工厂最近的仓库是一级缓存，其次为二级缓存、三级缓存。工厂所需的物资，可以直接存储在缓存仓库中，而不必到很远的郊区内存处提取。

这样的读取机制使得CPU读取高速缓存的命中率非常高，通常CPU下一次要读取的数据90%都在高速缓存中，只有大约10%需要从内存读取。这大大节省了CPU直接读取内存的时间，也使CPU读取数据时基本无须等待。

正因为高速缓存的命中率非常高，所以缓存对CPU性能的影响很大，CPU中的缓存越多，整体性能越好。

3.4.1　用软件检测CPU缓存相关信息

目前CPU中一般包含三级缓存，分别是L1（一级缓存）、L2（二级缓存）和L3（三级缓存）。CPU的缓存信息都能够通过软件进行检测，如图3-16所示为Intel Core i57400处理器的缓存信息，一级缓存为256KB，二级缓存为1024KB，三级缓存为6MB。

3.4.2　CPU的三级缓存

1.L1（一级缓存）

L1（一级缓存）是CPU第1层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，目前主流的双核CPU的一级缓存通常为128KB。

2.L2（二级缓存）

L2（二级缓存）是CPU的第2层高速缓存，分内部和外部两种芯片。内部芯片的二级缓存运行速度与CPU的主频相同，而外部的二级缓存速度则只有主频的一半。目前主流的双核CPU的二级缓存通常为1MB，服务器的二级缓存有的高达8MB～19MB，如图3-17所示。

3.L3（三级缓存）

L3（三级缓存）分为两种，早期的三级缓存是外置的（即在CPU的外面），而目前的三级缓存都采用内置的（即和CPU封装在一起）。三级缓存和一级缓存、二级缓存相比，距离CPU核心较远，速度较慢，但其容量要比前两级缓存大很多。目前主流的双核CPU的三级缓存通常为2MB～12MB，甚至更多。CPU缓存位置关系图如图3-18所示。

注意

CPU缓存并不是越大越好。因为缓存采用的是速度快、价格昂贵的静态RAM（SRAM），由于每个SRAM内存单元都由4～6个晶体管构成，增加缓存会带来CPU集成晶体管个数大增，发热量也随之增大，给设计制造带来很大的难度。所以，就算缓存容量做得很大，但若设计不合理也会造成缓存的延时，CPU的性能也未必能得到提高。 ZQ4QPbdwst+Q1sEd5f/g09FjxUojSVu+lIp3qWh2akmNMBoIj3vWVcPqka+x147K