[教學]CPU二級緩存與CPU性能

mw4mango

隨著45NM制程CPU的普及，CPU的二級緩存也增至4MB、6MB甚至是8MB。在CPU的頻率相同的情況下，二級緩存對于CPU性能的影響還是是相當大的。那麼二級緩存對與CPU的性能有多大影響呢？　　CPU的緩存是CPU和內存通信的中轉站，而二級緩存作為一級緩存的“后備倉庫”，用于為一級緩存存儲更多的數據，減少CPU直接訪問內存的次數。CPU訪問並調用緩存的數據所占的比重越大，則CPU訪問並調用內存的數據所占的比重就越小，那麼因訪問內存而耽誤的時間就越少。所以理論上而言CPU二級緩存越大，CPU的實際效率也就越高，性能就越强。
　　實際上，現在Intel和AMD處理器在一級緩存的邏輯結構設計上有所不同，所以二級緩存對CPU性能的影響也不盡相同。因為CPU讀取的數據（包括指令）中有80%的數據來自一級緩存，所以一級緩存的邏輯結構決定了CPU二級緩存容量對CPU性能的影響。Intel的Pentium4及Celeron系列處理器的一級數據緩存被稱為“數據代碼指令追蹤（讀寫）緩存”；AMD的Athlon64/AthlonXP/Sempron/Duron系列處理器的一級數據緩存叫作“實數據讀寫緩存”。
　　那麼INTEL和AMD的CPU在緩存架構上有什麼區別呢？我們來舉例說明：
　　假設有一個運算任務，要從“1”一直遞加到“999999”。在傳統的“實數據讀寫緩存”架構下，這一系列數據中最先用到的數據（如“1、2……449、450”）將存儲在CPU一級數據緩存中，更多的數據（如“451、452……899999、900000”）存儲在CPU二級緩存中，其余的數據（如“900001、999002……999998、999999”）暫存在內存中，CPU將按照一級數據緩存、二級緩存和內存的順序讀取這些數據。
　　傳統的一級數據緩存的存儲方式
　　但是在“數據代碼指令追蹤緩存”架構的CPU中，一級數據緩存並不存儲這些最先用到的數據（“1、2……449、450”），而是將這些數據存儲到二級緩存中，一級數據緩存僅僅存儲這些數據在二級緩存中的起止地址（又稱為：指令代碼）。例如，數據“1、2……449、450”順序存儲在二級緩存中，數據“1”所在地址為“00001F”，數據“450”所在地址為“00451F”，實際上一級數據緩存只需要存儲“00001F”和“00451F”這兩個地址就可以了，而不需要存儲大量的數據。
　　“數據代碼指令追蹤緩存”架構的一級數據緩存的存儲方式
　　但是由于其一級數據緩存不存儲數據，數據存儲在二級緩存中，因此對二級緩存容量的依賴非常大，所以CPU需要更大的二級緩存容量才能發揮出應有的性能。在實際應用中，CPU處理的數據中大多數都是0KB～128KB大小的數據，128KB～256KB的數據約有10％，256KB～512KB的數據有5％，512KB～1MB的數據僅有3％左右。所以對于這種CPU來說，二級緩存容量從0KB增加到256KB對CPU性能的提高几乎是直線性的；增加到512KB對CPU性能的提高稍微小一些；從512KB增加到1MB，普通用戶就很難体會到CPU性能有提高了。正因為如此，大家能感受到Pentium4C（512KB二級緩存）與Celeron（128KB二級緩存）的性能差異，卻很難感受到Pentium4C(512KB二級緩存)與Pentium4E（1MB二級緩存）的性能差異了