一文了解CPU高速緩存

CPU的核心功能包括數(shù)據(jù)運(yùn)算和指令控制。CPU運(yùn)算的數(shù)據(jù)和執(zhí)行的指令全部存儲(chǔ)在CPU的寄存器中，這些數(shù)據(jù)和指令又都來(lái)自于CPU高速緩存。

最早的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)由主存儲(chǔ)和外部存儲(chǔ)兩部分組成，主存儲(chǔ)即是插在主板上的內(nèi)存，外部存儲(chǔ)是內(nèi)存以外的所有存儲(chǔ)設(shè)備。早期的計(jì)算機(jī)“系統(tǒng)”內(nèi)置在主板的ROM（一種斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失的內(nèi)存）中，而不是存儲(chǔ)在硬盤(pán)里，數(shù)據(jù)處理的方式也是將數(shù)據(jù)都加載到主存中進(jìn)行處理。所以硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器與軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等一樣都是外部存儲(chǔ)設(shè)備。主存是CPU和外部存儲(chǔ)之間的一個(gè)緩沖區(qū)，為高效的運(yùn)算處理提供了保障。???

隨著CPU性能的提升，CPU的處理速度與內(nèi)存的傳輸速度逐漸拉開(kāi)了差距。于是CPU中開(kāi)始內(nèi)置更高速的內(nèi)存，緩解二者之間的性能差距，CPU中的內(nèi)存被稱作CPU緩存。

CPU緩存分為L(zhǎng)1（一級(jí)緩存）、L2（二級(jí)緩存）、L3（三級(jí)緩存），也是隨著CPU的演進(jìn)逐漸發(fā)展出來(lái)。???????

L1緩存是針對(duì)CPU內(nèi)核中寄存器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。L1d緩存指令數(shù)據(jù)，例如變量和數(shù)組；L1i緩存二進(jìn)制的指令。兩個(gè)L1緩存可同時(shí)被CPU訪問(wèn)，避免了資源沖突，而且封裝在CPU內(nèi)部有很高的執(zhí)行效率。???

L2緩存是CPU單個(gè)核心中的“通用”緩存，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)與內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致，主要功能就是為內(nèi)存提速。早期L2緩存集成在CPU的電路板或主板之上，現(xiàn)在與每個(gè)CPU核心獨(dú)立集成在一起。L2緩存速度比內(nèi)存要快很多，是提升性能的重要部件。

L3緩存是為了解決L2級(jí)別緩存容量問(wèn)題而擴(kuò)充的緩存。L3緩存的集成方式也是從CPU外部逐漸轉(zhuǎn)移到CPU內(nèi)部。到了多核CPU時(shí)代，L3緩存主要作用是實(shí)現(xiàn)多個(gè)核心之間的數(shù)據(jù)交換，但對(duì)CPU性能提升的幫助不大。

CPU中緩存示意圖

隨著技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的性能越來(lái)越高，通用型的存儲(chǔ)都逐漸統(tǒng)一為內(nèi)存型存儲(chǔ)設(shè)備。軟盤(pán)基本已經(jīng)消聲滅跡（日本銀行的老舊系統(tǒng)仍然在使用），光盤(pán)通常出現(xiàn)在播放器和游戲機(jī)中，個(gè)人計(jì)算機(jī)和服務(wù)器也逐漸采用固態(tài)硬盤(pán)，磁盤(pán)介質(zhì)的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器只能應(yīng)用在低成本大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)場(chǎng)景和備份場(chǎng)景。但是，速度又快、容量又大的存儲(chǔ)永遠(yuǎn)都要付出高昂的成本。我們只能在整個(gè)系統(tǒng)中增加少量的高速緩存，緩解這個(gè)矛盾。

審核編輯：劉清