CPU緩存對性能的影響
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性能的一個必要指標(biāo),那么CPU緩存到底對CPU性能的影響有多大呢?
我們知道,CPU執(zhí)行指令時,會將執(zhí)行結(jié)果放在一個叫“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在處理指令時往往花費很多時間在等待內(nèi)存做準(zhǔn)備工作。
為了解決這個問題,人們在CPU內(nèi)部集成了一個比內(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完全同步運行的存儲器,也就是我們常說的一級緩存,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再從二級緩存(L2)中提取數(shù)據(jù),大大提高了系統(tǒng)的工作效率。
趣談CPU緩存工作原理
沒有CPU緩存前
我們可以形象地把CPU的運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間去遠(yuǎn)處的倉庫A調(diào)運,而且到達(dá)倉庫后,還要等待倉庫準(zhǔn)備好材料,中間浪費了不少時間。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。
而突然有一天,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之間的運輸所花費的時間就更長了,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)等待需時間會變得更長。
要解決CPU與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)不同步這個系統(tǒng)瓶頸問題,其中一個辦法是在靠近工廠的市區(qū)設(shè)置一個小型的倉庫B(L1 Cache)。
平時把生產(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,減少空運轉(zhuǎn)的時間。當(dāng)所需的原材料在倉庫B中找不到(緩存未命中)時,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)入空運轉(zhuǎn),或部分空運轉(zhuǎn)(CPU等待若干個時鐘周期),但這樣畢竟使等待時間大大降低了。
小知識:緩存有一個“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。
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更好的辦法就是在城市的邊緣再設(shè)立一個比倉庫B大的倉庫C,也就是我們說的二級緩存。
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問題。
CPU緩存越大越好?
當(dāng)然,CPU緩存并不是越大越好,因為緩存采用的是速度快、價格昂貴的靜態(tài)RAM(SRAM),由于每個SRAM內(nèi)存單元都是由4~6個晶體管構(gòu)成,增加緩存會帶來CPU集成晶體管個數(shù)大增,發(fā)熱量也隨之增大,給設(shè)計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)計不合理會造成緩存的延時,CPU的性能也未必得到提高
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