淺析CPU二級緩存容量對CPU性能的影響

2020-07-16 13:14:22

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供稿：網(wǎng)友

　　現(xiàn)代桌面級PC的CPU二級緩存容量大多數(shù)在64KB到2MB之間。因為CPU二級緩存容量對CPU性能有不小的影響，所以低端CPU和中高端CPU在物理結(jié)構(gòu)上的差異主要就是二級緩存容量的大小。那么二級緩存容量為什么如此重要？它對CPU性能有什么樣的影響呢？

　　CPU二級緩存作為一級緩存的“后備倉庫”，用于為一級緩存存儲更多的數(shù)據(jù)，減少CPU直接訪問內(nèi)存的次數(shù)。理論上，CPU訪問并調(diào)用緩存的數(shù)據(jù)所占的比重越大，則CPU訪問并調(diào)用內(nèi)存的數(shù)據(jù)所占的比重就越小，那么因訪問內(nèi)存而耽誤的時間就越少。所以緩存的容量越大，CPU的實際效率也就越高，性能就越強。

　　實際上，在武林網(wǎng)上講到，現(xiàn)在Intel和AMD處理器在一級緩存的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計上有所不同，所以二級緩存對CPU性能的影響也不盡相同。因為CPU讀取的數(shù)據(jù)（包括指令）中有80%的數(shù)據(jù)來自一級緩存，所以一級緩存的邏輯結(jié)構(gòu)決定了CPU二級緩存容量對CPU性能的影響。Intel的Pentium 4及Celeron系列處理器的一級數(shù)據(jù)緩存被稱為“數(shù)據(jù)代碼指令追蹤（讀寫）緩存”；AMD的Athlon 64/Athlon XP/Sempron/Duron系列處理器的一級數(shù)據(jù)緩存叫作“實數(shù)據(jù)讀寫緩存”。

　　這兩類CPU一級緩存不同的邏輯結(jié)構(gòu)有什么不同？下面，我用一個例子來描述。

　　假設(shè)有一個運算任務(wù)，要從“1”一直遞加到“999999”。在傳統(tǒng)的“實數(shù)據(jù)讀寫緩存”架構(gòu)下，這一系列數(shù)據(jù)中最先用到的數(shù)據(jù)（如 “1、2……449、450”）將存儲在CPU一級數(shù)據(jù)緩存中，更多的數(shù)據(jù)（如“451、452……899999、900000”）存儲在CPU二級緩存中，其余的數(shù) 據(jù)（如“900001、999002……999998、999999”）暫存在內(nèi)存中，CPU將按照一級數(shù)據(jù)緩存、二級緩存和內(nèi)存的順序讀取這些數(shù)據(jù)。

　　傳統(tǒng)的一級數(shù)據(jù)緩存的存儲方式

　　但是在“數(shù)據(jù)代碼指令追蹤緩存”架構(gòu)的CPU中，一級數(shù)據(jù)緩存并不存儲這些最先用到的數(shù)據(jù)（“1、2……449、450”），而是將這些數(shù)據(jù)存儲到二級緩存中，一級數(shù)據(jù)緩存僅僅存儲這些數(shù)據(jù)在二級緩存中的起止地址（又稱為：指令代碼）。例如，數(shù)據(jù)“1、2……449、450” 順序存儲在二級緩存中，數(shù)據(jù)“1”所在地址為“00001F”，數(shù)據(jù)“450” 所在地址為“00451F”，實際上一級數(shù)據(jù)緩存只需要存儲“00001F”和“00451F”這兩個地址就可以了，而不需要存儲大量的數(shù)據(jù)。

　　“數(shù)據(jù)代碼指令追蹤緩存”架構(gòu)的一級數(shù)據(jù)緩存的存儲方式
　　
　　但是由于其一級數(shù)據(jù)緩存不存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲在二級緩存中，因此對二級緩存容量的依賴非常大，所以CPU需要更大的二級緩存容量才能發(fā)揮出應(yīng)有的性能。在實際應(yīng)用中，CPU處理的數(shù)據(jù)中大多數(shù)都是0KB～128KB大小的數(shù)據(jù)，128KB～256KB的數(shù)據(jù)約有10％，256KB～512KB的數(shù)據(jù)有5％，512KB～1MB的數(shù)據(jù)僅有3％左右。所以對于這種CPU來說，二級緩存容量從0KB增加到256KB對CPU性能的提高幾乎是直線性的；增加到512KB對CPU性能的提高稍微小一些；從512KB增加到1MB，普通用戶就很難體會到CPU性能有提高了。正因為如此，大家能感受到Pentium 4 C（512KB二級緩存）與Celeron（128KB二級緩存）的性能差異，卻很難感受到Pentium 4 C(512KB二級緩存)與Pentium 4 E（1MB二級緩存）的性能差異了。

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