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cpu緩存的工作原理篇一
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高速緩沖存儲(chǔ)器cache是位于cpu與內(nèi)存之間的臨時(shí)存儲(chǔ)器，它的容量比內(nèi)存小但交換速度快。 那cpu緩存的作用有哪些？下面是小編整理的，歡迎大家閱讀！更多相關(guān)信息請關(guān)注相關(guān)欄目！
在cache中的數(shù)據(jù)是內(nèi)存中的一小部分，但這一小部分是短時(shí)間內(nèi)cpu即將訪問的，當(dāng)cpu調(diào)用大量數(shù)據(jù)時(shí)，就可避開內(nèi)存直接從cache中調(diào)用，從而加快讀取速度。由此可見，在cpu中加入cache是一種高效的解決方案，這樣整個(gè)內(nèi)存儲(chǔ)器（cache 內(nèi)存）就變成了既有cache的高速度，又有內(nèi)存的大容量的存儲(chǔ)系統(tǒng)了。
cache對cpu的性能影響很大，主要是因?yàn)閏pu的數(shù)據(jù)交換順序和cpu與cache間的帶寬引起的。
cpu要讀取一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，首先從cache中查找，如果找到就立即讀取并送給cpu處理；如果沒有找到，就用相對慢的速度從內(nèi)存中讀取并送給cpu處理，同時(shí)把這個(gè)數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)塊調(diào)入cache中，可以使得以后對整塊數(shù)據(jù)的讀取都從cache中進(jìn)行，不必再調(diào)用內(nèi)存。
正是這樣的讀取機(jī)制使cpu讀取cache的命中率非常高（大多數(shù)cpu可達(dá)90%左右），也就是說cpu下一次要讀取的數(shù)據(jù)90%都在cache中，只有大約10%需要從內(nèi)存讀取。這大大節(jié)省了cpu直接讀取內(nèi)存的時(shí)間，也使cpu讀取數(shù)據(jù)時(shí)基本無需等待?？偟膩碚f，cpu讀取數(shù)據(jù)的順序是先cache后內(nèi)存。
前面是把cache作為一個(gè)整體來考慮的，現(xiàn)在要分類分析了。intel從pentium開始將cache分開，通常分為一級(jí)高速緩存l1和二級(jí)高速緩存l2。
在以往的觀念中，l1 cache是集成在cpu中的，被稱為片內(nèi)cache。在l1中還分?jǐn)?shù)據(jù)cache（i-cache）和指令cache（d-cache）。它們分別用來存放數(shù)據(jù)和執(zhí)行這些數(shù)據(jù)的指令，而且兩個(gè)cache可以同時(shí)被cpu訪問，減少了爭用cache所造成的沖突，提高了處理器效能。
在p4處理器中使用了一種先進(jìn)的一級(jí)指令cache——?jiǎng)討B(tài)跟蹤緩存。它直接和執(zhí)行單元及動(dòng)態(tài)跟蹤引擎相連，通過動(dòng)態(tài)跟蹤引擎可以很快地找到所執(zhí)行的指令，并且將指令的順序存儲(chǔ)在追蹤緩存里，這樣就減少了主執(zhí)行循環(huán)的解碼周期，提高了處理器的運(yùn)算效率。
以前的l2 cache沒集成在cpu中，而在主板上或與cpu集成在同一塊電路板上，因此也被稱為片外cache。但從pⅲ開始，由于工藝的提高l2 cache被集成在cpu內(nèi)核中，以相同于主頻的速度工作，結(jié)束了l2 cache與cpu大差距分頻的歷史，使l2 cache與l1 cache在性能上平等，得到更高的傳輸速度。 l2cache只存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因此不分?jǐn)?shù)據(jù)cache和指令cache。在cpu核心不變化的情況下，增加l2 cache的容量能使性能提升，同一核心的cpu高低端之分往往也是在l2 cache上做手腳，可見l2 cache的重要性?，F(xiàn)在cpu的l1 cache與l2 cache惟一區(qū)別在于讀取順序。
cpu在cache中找到有用的數(shù)據(jù)被稱為命中，當(dāng)cache中沒有cpu所需的數(shù)據(jù)時(shí)（這時(shí)稱為未命中），cpu才訪問內(nèi)存。從理論上講，在一顆擁有2級(jí)cache的cpu中，讀取l1 cache的命中率為80%。也就是說cpu從l1 cache中找到的有用數(shù)據(jù)占數(shù)據(jù)總量的'80%，剩下的20%從l2 cache讀取。由于不能準(zhǔn)確預(yù)測將要執(zhí)行的數(shù)據(jù)，讀取l2的命中率也在80%左右（從l2讀到有用的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的16%）。那么還有的數(shù)據(jù)就不得不從內(nèi)存調(diào)用，但這已經(jīng)是一個(gè)相當(dāng)小的比例了。在一些高端領(lǐng)域的cpu（像intel的itanium）中，我們常聽到l3 cache，它是為讀取l2 cache后未命中的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的—種cache，在擁有l(wèi)3 cache的cpu中，只有約5%的數(shù)據(jù)需要從內(nèi)存中調(diào)用，這進(jìn)一步提高了cpu的效率。
為了保證cpu訪問時(shí)有較高的命中率，cache中的內(nèi)容應(yīng)該按一定的算法替換。一種較常用的算法是“最近最少使用算法”（lru算法），它是將最近一段時(shí)間內(nèi)最少被訪問過的行淘汰出局。因此需要為每行設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，lru算法是把命中行的計(jì)數(shù)器清零，其他各行計(jì)數(shù)器加1。當(dāng)需要替換時(shí)淘汰行計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值最大的數(shù)據(jù)行出局。這是一種高效、科學(xué)的算法，其計(jì)數(shù)器清零過程可以把一些頻繁調(diào)用后再不需要的數(shù)據(jù)淘汰出cache，提高cache的利用率。 緩存技術(shù)的發(fā)展
總之，在傳輸速度有較大差異的設(shè)備間都可以利用cache作為匹配來調(diào)節(jié)差距，或者說是這些設(shè)備的傳輸通道。在顯示系統(tǒng)、硬盤和光驅(qū)，以及網(wǎng)絡(luò)通訊中，都需要使用cache技術(shù)。但cache均由靜態(tài)ram組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本不菲，使用現(xiàn)有工藝在有限的面積內(nèi)不可能做得很大，不過，這也正是技術(shù)前進(jìn)的源動(dòng)力，有需要才有進(jìn)步!
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