马上发布总共4条微博

动态微博

CPU缓存是CPU一个重要的组成部分,大家都知道三级缓存的重要性,但是知不知道三级缓存意味着什么,是不是三级缓存越大越好呢?让我们一起来看一下吧。
缓存这个词想必大家都听过,其实缓存的意义很广泛:电脑整机最大的缓存可以体现为内存条、显卡上的显存就是显卡芯片所需要用到的缓存、硬盘上也有相对应的缓存、CPU有着最快的缓存(L1、L2、L3缓存等),缓存就是数据交换的缓冲区(称作Cache)。缓存往往都是RAM(断电即掉的非永久储存),它们的作用就是帮助硬件更快地响应。我们今天就来讲一下,关于最快的缓存——CPU缓存的那些事。

CPU缓存是什么?
CPU缓存的定义为CPU与内存之间的临时数据交换器,它的出现是为了解决CPU运行处理速度与内存读写速度不匹配的矛盾——缓存的速度比内存的速度快多了。CPU缓存一般直接跟CPU芯片集成或位于主板总线互连的独立芯片上。(现阶段的CPU缓存一般直接集成在CPU上)CPU往往需要重复处理相同的数据、重复执行相同的指令,如果这部分数据、指令CPU能在CPU缓存中找到,CPU就不需要从内存或硬盘中再读取数据、指令,从而减少了整机的响应时间。

CPU-缓存-主内存图示,图片来自:CPU Caches

CPU缓存速度和内存速度差多少?
我们来简单地打个比方:如果CPU在L1一级缓存中找到所需要的资料要用的时间为3个周期左右,那么在L2二级缓存找到资料的时间就要10个周期左右,L3三级缓存所需时间为50个周期左右;如果要到内存上去找呢,那就慢多了,可能需要几百个周期的时间。

I3-8300处理器技术规格
对CPU缓存有一定了解了吗,让我们再深入一点。以Intel为例,Intel官网上产品-处理器界面内对缓存的定义为:“CPU高速缓存是处理器上的一个快速记忆区域。英特尔智能高速缓存(SmartCache)是指可让所有内核动态共享最后一级高速缓存的架构。”这里就提及到了最后一级高速缓存的概念,即为CPU缓存中的L3(三级缓存),那么我们继续来解释一下什么叫三级缓存,分别又是指哪三级缓存。

CPU-缓存-主内存图示,图片来自:CPU Caches
三级缓存(L1、L2、L3)是什么?
以近代CPU的视角来说,三级缓存(包括L1一级缓存、L2二级缓存、L3三级缓存)都是集成在CPU内的缓存,它们的作用都是作为CPU与主内存之间的高速数据缓冲区,L1最靠近CPU核心;L2其次;L3再次。运行速度方面:L1最快、L2次快、L3最慢;容量大小方面:L1最小、L2较大、L3最大。CPU会先在最快的L1中寻找需要的数据,找不到再去找次快的L2,还找不到再去找L3,L3都没有那就只能去内存找了。L1、L2、L3可以说是各有特点,下面我们就分开来讲一下。
一级缓存(L1 Cache)
一级缓存这个名词出现应该是在Intel公司Pentium处理器时代把缓存开始分类的时候,当时在CPU内部集成的CPU缓存已经不能满足整机的性能需求,而制造工艺上的限制不能在CPU内部大幅提高缓存的数量,所以出现了集成在主板上的缓存,当时人们把CPU内部集成的CPU缓存成为一级缓存,在CPU外部主板上的缓存称为二级缓存。

Intel Pentium 4
而一级缓存其实还分为一级数据缓存(Data Cache,D-Cache,L1d)和一级指令缓存(Instruction Cache,I-Cache,L1i),分别用于存放数据及执行数据的指令解码,两者可同时被CPU访问,减少了CPU多核心、多线程争用缓存造成的冲突,提高了处理器的效能。一般CPU的L1i和L1d具备相同的容量,例如I7-8700K的L1即为32KB+32KB。
二级缓存(L2 Cache)
随着CPU制造工艺的发展,本来处于CPU外部的二级缓存也可以轻易地集成进CPU内部,这种时候再用缓存是否处于CPU内部来判断一二级缓存已经不再确切。集成进CPU的L2二级缓存运行速率渐渐可以跟上CPU的运行速度了,,其主要作用为当CPU在L1中没读取到所需要的数据时再把数据展示给CPU筛选(CPU未命中L1的情况下继续在L2寻求命中,缓存命中的工作原理我们稍后再讲)。
L2二级缓存比L1一级缓存的容量要更大,但是L2的速率要更慢,为什么呢?首先L2比L1要更远离CPU核心,L1是最靠近CPU核心的缓存,CPU需要读取L2的数据从物理距离上比L1要更远;L2的容量比L1更大,打个简单的比喻,在小盒子里面找东西要比在大房间里面找要方便快捷。这里也可以看出,缓存并非越大越好,越靠近CPU核心的缓存运行速率越快越好,非最后一级缓存的缓存容量自然是够用即可。

Core Duo酷睿双核处理器
L2二级缓存实际上就是L1一级缓存跟主内存之间的缓冲器,在2006年的时间点上,Intel和AMD当家在售的几款处理器可以看出他们对最后一级缓存不同的见解:Intel Core Duo不同于它的前辈Pentium D、EE,采用了双核心共享的2M L2二级缓存,是属于当时最先二级缓存架构,即“Smart Cache”共享缓存技术,这种技术沿用到以后的Intel推出的所有多核心处理器上;而AMD Athlon 64 X2处理器则是每个CPU核心都具备独立的二级缓存,Manchester核心的处理器为每核心512KB、Toledo核心为每核心1MB,两个核心之间的缓存的数据同步是通过CPU内置的SRI(系统请求接口)控制,这样的数据延迟及占用资源情况都要比Intel的Pentium D、EE核心要好,但还是比不上Core为代表的Smart Cache缓存共享。
三级缓存(L3 Cache)
最初出现L3三级缓存的应该是AMD的K6-III处理器,当时受限于制造工艺,L3只能集成在主板上。然后Intel首次出现L3三级缓存的是Itanium安腾服务器处理器,接着就是P4EE和至强MP。L3三级缓存的出现其实对CPU性能提升呈一个爬坡曲线——L3从0到2M的情况CPU性能提升非常明显,L3从2M到6M提升可能就只有10%不到了,这是在近代CPU多核共享L3的情况下;当L3集成进CPU正式成为CPU内部缓存后,CPU处理数据时只有5%需要在内存中调用数据,进一步地减少了内存延迟,使系统的响应更为快速。

Intel Nehalem L3 SmartCache示意图
同理,L3即为L2与主内存之间的缓冲器,主要体现在提升处理器大数据处理方面的性能,对游戏表现方面有较大的帮助。那么也许有人就会问了,是不是选择CPU的时候看准L3买,哪个CPU的L3大就买哪个?非也,只有同架构的情况下这种比较才具有意义,先举个比较久远的例子:Intel具备1MB L3的Xeon MP处理器仍然不是AMD没有L3的皓龙处理器对手,再来个现有的:Intel I7-8700K 12MB L3和AMD Threadripper 1950X 32MB L3相比,自然是32MB比12MB大,但是平均下来也是一个核心2MB L3,性能就见仁见智了。
CPU缓存是怎样帮助CPU工作的呢
知道了L1、L2、L3的由来,我们再深入地了解一下CPU缓存是怎么帮助CPU提高工作效率的。

局限性原理,图片来自:CMU
由于数据的局限性,CPU往往需要在短时间内重复多次读取数据,内存的运行频率自然是远远跟不上CPU的处理速度的,怎么办呢?缓存的重要性就凸显出来了,CPU可以避开内存在缓存里读取到想要的数据,称之为命中(hit)。L1的运行速度很快,但是它的数据容量很小,CPU能在L1里命中的概率大概在80%左右——日常使用的情况下;L2、L3的机制也类似如此,这样一来,CPU需要在内存中读取的数据大概为5%-10%,其余数据命中全部可以在L1、L2、L3中做到,大大减少了系统的响应时间,总的来说,所有CPU读取数据的顺序都是先缓存再内存。
L1、L2、L3缓存跟内存速度相差很大,它们构成上的不同导致了其速度的差距,那么CPU缓存和内存分别是怎样构成的呢?
缓存SRAM与内存DRAM的区别
CPU缓存基本由SRAM(Static RAM,静态RAM)构成,内存的DRAM其实是SDRAM(同步动态随机储存器),是DRAM(Dynamic RAM,动态)的一种。

DRAM
DRAM只含一个晶体管和一个电容器,集成度非常高,可以轻松做出大容量(内存),但是因为靠电容器来储存信息,所以需要不断刷新补充电容器的电荷,充电放电之间的时间差导致了DRAM比SRAM的反应要缓慢得多。

SRAM
SRAM相比DRAM的复杂度就高了不止一筹,所以导致SRAM的集成度很低——前期CPU缓存不能集成进CPU内部也有这个原因。SRAM的特点就是快,有电就有数据,不需要刷新时间所以凸显其数据传输速度很快,缺点就是占据面积大、成本低。假如一个DRAM占据一个单位的地方,一个SRAM就要占据六个单位的地方,差别还是挺大的。
番外:L4四级缓存和eDRAM

I7-4750H
并不是每个CPU都会使用SRAM作为CPU缓存,IBM的Power系列处理器就使用了eDRAM作为CPU缓存;我们再看看Intel Haswell I7-4750H这个CPU,其主要受关注的地方在于CPU内嵌入了128MB的eDRAM作为显存让核心显卡Iris Pro 5200使用,在不使用核心显卡的时候,128MB eDRAM将会成为处理器的L4四级缓存。当然了,I7-4750H多了L4之后在处理器性能上也没提高多少,eDram缓存的主要作用还是在于给核心显卡当显存上。
用着旧机不爽的你,是否准备购买一波新装备啦,想要各类硬件推荐的请找小易哦
“志合者,不以山海为远;道乖者,不以咫尺为近”
回复

使用道具 举报

    您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

    本版积分规则

    旺旺联系
    关闭
    旺旺联系

    QQ|Archiver|手机版|小黑屋|大众商城|16431论坛     

    Powered by Discuz! X3.2  © 2001-2013 Comsenz Inc. Licensed