淺析CPU二級(jí)緩存容量對(duì)CPU性能的影響
2020-07-16 13:14:22
供稿：網(wǎng)友
現(xiàn)代桌面級(jí)PC的CPU二級(jí)緩存容量大多數(shù)在64KB到2MB之間。因?yàn)镃PU二級(jí)緩存容量對(duì)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(jí)緩存容量的大小。那么二級(jí)緩存容量為什么如此重要？它對(duì)CPU性能有什么樣的影響呢？
CPU二級(jí)緩存作為一級(jí)緩存的“后備倉庫”，用于為一級(jí)緩存存儲(chǔ)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(shí)間 就越少。所以緩存的容量越大，CPU的實(shí)際效率也就越高，性能就越強(qiáng)。
實(shí)際上，在武林網(wǎng)上講到，現(xiàn)在Intel和AMD處理器在一級(jí)緩存的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有所不同，所以二級(jí)緩存對(duì)CPU性能的影響也不盡相同。因?yàn)镃PU讀取的 數(shù)據(jù)（包括指令）中有80%的數(shù)據(jù)來自一級(jí)緩存，所以一級(jí)緩存的邏輯結(jié)構(gòu)決定了CPU二級(jí)緩存容量對(duì)CPU性能的影響。Intel的Pentium 4及Celeron系列處理器的一級(jí)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(jí)數(shù)據(jù)緩存叫作“實(shí)數(shù)據(jù)讀寫緩存”。
這兩類CPU一級(jí)緩存不同的邏輯結(jié)構(gòu)有什么不同？下面，我用一個(gè)例子來描述。
假設(shè)有一個(gè)運(yùn)算任務(wù)，要從“1”一直遞加到“999999”。在傳統(tǒng)的“實(shí)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(chǔ)在CPU一級(jí)數(shù)據(jù)緩存中，更多的數(shù)據(jù)（如“451、452……899999、900000”）存儲(chǔ)在CPU二級(jí)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(jí)數(shù)據(jù)緩存、二級(jí)緩存和內(nèi)存的順序讀取這些數(shù)據(jù)。
傳統(tǒng)的一級(jí)數(shù)據(jù)緩存的存儲(chǔ)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(jí)數(shù)據(jù)緩存并不存儲(chǔ)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(chǔ)到二級(jí)緩存中，一級(jí)數(shù)據(jù)緩存僅僅存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)在二級(jí)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(chǔ)在二級(jí)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(shí)際上一級(jí)數(shù)據(jù)緩存只需要存儲(chǔ)“00001F”和“00451F”這兩個(gè)地址就可以了，而不需要存儲(chǔ)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(jí)數(shù)據(jù)緩存的存儲(chǔ)方式
但是由于其一級(jí)數(shù)據(jù)緩存不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在二級(jí)緩存中，因此對(duì)二級(jí)緩存容量的依賴非常大，所以CPU需要更大的二級(jí)緩存容量 才能發(fā)揮出應(yīng)有的性能。在實(shí)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(duì)于這種CPU來說，二級(jí)緩存容量從0KB增加到256KB對(duì)CPU性能的提高幾乎是直線性的；增加 到512KB對(duì)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(huì)到CPU性能有提高了。正因?yàn)槿绱?，大家能感受到Pentium 4 C（512KB二級(jí)緩存）與Celeron（128KB二級(jí)緩存）的性能差異，卻很難感受到Pentium 4 C(512KB二級(jí)緩存)與Pentium 4 E（1MB二級(jí)緩存）的性能差異了。
