CPU緩存與性能的關(guān)系

說到CPU，不得不說的就是CPU緩存，目前CPU的緩存已經(jīng)成了衡量CPU性能的一個(gè)必要指標(biāo)，那么CPU緩存到底對CPU性能的影響有多大呢? CPU維修知識(shí)

　　CPU執(zhí)行指令時(shí)，會(huì)將執(zhí)行結(jié)果放在一個(gè)叫“寄存器”的元件中，由于“寄存器”集成在CPU內(nèi)部，與ALU等構(gòu)成CPU的重要元件，因此寄存器中的指令很快被CPU所訪問，但畢竟寄存器的容量太小，CPU所需的大量指令和數(shù)據(jù)還在內(nèi)存（RAM）當(dāng)中，所以CPU為了完成指令操作，需要頻繁地向內(nèi)存發(fā)送接收指令、數(shù)據(jù)。

　　由于內(nèi)存的處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CPU，所以傳統(tǒng)的系統(tǒng)瓶頸在這里就產(chǎn)生了，CPU在處理指令時(shí)往往花費(fèi)很多時(shí)間在等待內(nèi)存做準(zhǔn)備工作。為了解決這個(gè)問題，人們在CPU內(nèi)部集成了一個(gè)比內(nèi)存快許多的“Cache”，這就是最早的“高速緩存”。

　　L1高速緩存是與CPU完全同步運(yùn)行的存儲(chǔ)器，也就是我們常說的一級(jí)緩存，如果CPU需要的數(shù)據(jù)和指令已經(jīng)在高速緩存中了，那么CPU不必等待，直接就可以從一級(jí)緩存（L1）中取得數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)不在L1中，CPU再從二級(jí)緩存（L2）中提取數(shù)據(jù)，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。

CPU緩存工作原理

沒有CPU緩存前

　　CPU的運(yùn)算單元想象成是一間坐落在城市中心的工廠，把內(nèi)存看成是工廠設(shè)置在郊區(qū)的一間面積很大的倉庫A。
　　 工廠生產(chǎn)所需要的原材料每次都要花時(shí)間去遠(yuǎn)處的倉庫A調(diào)運(yùn)，而且到達(dá)倉庫后，還要等待倉庫準(zhǔn)備好材料，中間浪費(fèi)了不少時(shí)間。這就是CPU頻率未變的情況下，CPU與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換不同步的現(xiàn)象。

　　由于資金短缺，倉庫A從近郊區(qū)“搬到”了遠(yuǎn)郊區(qū)，這樣原料和成品在工廠與倉庫A之間的運(yùn)輸所花費(fèi)的時(shí)間就更長了，工廠生產(chǎn)所需的原料供應(yīng)不足，經(jīng)常處于空運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下。這就是說當(dāng)CPU頻率增加后，CPU與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)等待需時(shí)間會(huì)變得更長。

增加L1 Cache

　　要解決CPU與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)不同步這個(gè)系統(tǒng)瓶頸問題，其中一個(gè)辦法是在靠近工廠的市區(qū)設(shè)置一個(gè)小型的倉庫B（L1 Cache）。

       平時(shí)把生產(chǎn)最迫切需要、用得最多的原材料（指令和數(shù)據(jù)）從倉庫A（內(nèi)存）調(diào)配到倉庫B（L1 Cache），這樣工廠生產(chǎn)所需要的原材料就可以很快地調(diào)配過來，減少空運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間。當(dāng)所需的原材料在倉庫B中找不到（緩存未命中）時(shí)，仍然要到倉庫A（內(nèi)存）里調(diào)配，雖然無可避免地使工廠又進(jìn)入空運(yùn)轉(zhuǎn)，或部分空運(yùn)轉(zhuǎn)（CPU等待若干個(gè)時(shí)鐘周期），但這樣畢竟使等待時(shí)間大大降低了。

小知識(shí)：緩存有一個(gè)“預(yù)讀”功能，也就是可以通過一定的算法，猜測接下來所要的數(shù)據(jù)，并預(yù)先取入緩存。

再添L2 Cache

　　隨著CPU的頻率提高，與內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù)不同步的現(xiàn)象更明顯了，可以理解為倉庫A（內(nèi)存）搬離郊區(qū)，遷到更遠(yuǎn)的地方了。解決這一問題的一個(gè)更好的辦法就是在城市的邊緣再設(shè)立一個(gè)比倉庫B大的倉庫C，也就是我們說的二級(jí)緩存。
       它的作用是把郊區(qū)之外的倉庫A（內(nèi)存）中最迫切用的材料（指令）運(yùn)到倉庫C，而工廠如果在倉庫B中找不到所需的材料，就可以到倉庫C中找，而不必老遠(yuǎn)跑到倉庫A那里找，節(jié)省了不少時(shí)間。

       通常情況下，L2包括L1所有的數(shù)據(jù)，另外還有一些附加的數(shù)據(jù)。換言之，L1與L2、L2與內(nèi)存之間是子母關(guān)系，所以CPU緩存的出現(xiàn)更有效地解決了CPU空等待所造成的資源浪費(fèi)問題。

CPU緩存越大越好?

當(dāng)然，CPU緩存并不是越大越好，因?yàn)榫彺娌捎玫氖撬俣瓤�、價(jià)格昂貴的靜態(tài)RAM（SRAM），由于每個(gè)SRAM內(nèi)存單元都是由4~6個(gè)晶體管構(gòu)成，增加緩存會(huì)帶來CPU集成晶體管個(gè)數(shù)大增，發(fā)熱量也隨之增大，給設(shè)計(jì)制造帶來很大的難度。所以就算緩存容量做得很大，但如果設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成緩存的延時(shí)，CPU的性能也未必得到提高。CPU緩存與性能知識(shí)