CPU中的一级缓存,二级缓存,三级缓存
缓存又叫高速缓冲存储器,其作用在于缓解主存速度慢、跟不上CPU读写速度要求的矛盾。
缓存的实现原理,是把CPU最近最可能用到的少量信息(数据或指令)从主存复制到CACHE中,当CPU下次再用这些信息时,它就不必访问慢速的主存,而直接从快速的CACHE中得到,从而提高了得到这些信息的速度,使CPU有更高的运行效率。
缓存的工作原理:是当CPU要读取一个数据时,首先从缓存中查找,如果找到就立即读取并送给CPU处理;如果没有找到,就用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU处理,同时把这个数据所在的数据块调入缓存中,可以使得以后对整块数据的读取都从缓存中进行,不必再调用内存。正是这样的读取机制使CPU读取缓存的命中率非常高(大多数CPU可达90%左右),也就是说CPU下一次要读取的数据90%都在缓存中,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读取数据时基本无需等待。总的来说,CPU读取数据的顺序是先缓存后内存。
缓存的大小:一般说来,更大一点的cache容量,对提高命中率是有好处的,由于cache是用价格很高的静态存储器SRAM器件实现的,而cache容量达到一定大小后,再增加其容量,对命中率的提高并不明显,从合理的性能/价格比考虑,cache的容量设置应在一个合理的容量范围之内。
缓存要分一级二级 三级,是为了建立一个层次存储结构,以达到最高性价比。而且多级组织还可以提高cache的命中率,提高执行效能。
一般来说,一级缓存可以分为一级数据缓存(Data Cache,D-Cache)和一级指令缓存(InstructionCache,I-Cache)。二者分别用来存放数据以及对执行这些数据的指令进行即时解码,而且两者可以同时被CPU访问,减少了争用Cache所造成的冲突,提高了处理器效能。
目前大多数CPU的一级数据缓存和一级指令缓存具有相同的容量,例如AMD的Athlon。XP就具有64KB的一级数据缓存和64KB的一级指令缓存,其一级缓存就以64KB+64KB来表示,其余的CPU的一级缓存表示方法以此类推。并不是缓存越大越好,譬如AMD和INTER就有不同的理论,AMD认为一级缓存越大越好,所以一级比较大,而INTER认为过大会有更长的指令执行时间,所以一级很小,二级缓存那两个公司的理论又反过来了,AMD的小,INTER的大,一般主流的INTERCPU的2级缓存都在2M左右,我们通常用(L1,L2)来称呼。
CPU缓存(CacheMemory)是位于CPU与内存之间的临时存储器,它的容量比内存小的多,但是交换速度却比内存要快得多。缓存的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾,因为CPU运算速度要比内存读写速度快很多,这样会使CPU花费很长时间等待数据到来或把数据写入内存。在缓存中的数据是内存中的一小部分,但这一小部分是短时间内CPU即将访问的,当CPU调用大量数据时,就可避开内存直接从缓存中调用,从而加快读取速度。由此可见,在CPU中加入缓存是一种高效的解决方案,这样整个内存储器(缓存+内存)就变成了既有缓存的高速度,又有内存的大容量的存储系统了。缓存对CPU的性能影响很大,主要是因为CPU的数据交换顺序和CPU与缓存间的带宽引起的。
根据数据读取顺序和与CPU结合的紧密程度,CPU缓存可以分为一级缓存,二级缓存,部分高端CPU还具有三级缓存,每一级缓存中所储存的全部数据都是下一级缓存的一部分,这三种缓存的技术难度和制造成本是相对递减的,所以其容量也是相对递增的。当CPU要读取一个数据时,首先从一级缓存中查找,如果没有找到再从二级缓存中查找,如果还是没有就从三级缓存或内存中查找。
一般来说,每级缓存的命中率大概都在80%左右,也就是说全部数据量的80%都可以在一级缓存中找到,只剩下20%的总数据量才需要从二级缓存、三级缓存或内存中读取,由此可见一级缓存是整个CPU缓存架构中最为重要的部分。
目前缓存基本上都是采用SRAM存储器,SRAM是英文StaticRAM的缩写,它是一种具有静志存取功能的存储器,不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。不像DRAM内存那样需要刷新电路,每隔一段时间,固定要对DRAM刷新充电一次,否则内部的数据即会消失,因此SRAM具有较高的性能,但是SRAM也有它的缺点,即它的集成度较低,相同容量的DRAM内存可以设计为较小的体积,但是SRAM却需要很大的体积,这也是目前不能将缓存容量做得太大的重要原因。
它的特点归纳如下:优点是节能、速度快、不必配合内存刷新电路、可提高整体的工作效率,缺点是集成度低、相同的容量体积较大、而且价格较高,只能少量用于关键性系统以提高效率。
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