基本介绍

CPU缓存

CPU缓存的容量比内存小的多但是交换速度却比内存要快得多。缓存的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾，因为CPU运算速度要比内存读写速度快很多，这样会使CPU花费很长时间等待数据到来或把数据写入内存。

缓存大小是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工作时，CPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。但是从CPU芯片面积和成本的因素来考虑，缓存都很小。

按照数据读取顺序和与CPU结合的紧密程度，CPU缓存可以分为一级缓存，二级缓存，部分高端CPU还具有三级缓存，每一级缓存中所储存的全部数据都是下一级缓存的一部分，这三种缓存的技术难度和制造成本是相对递减的，所以其容量也是相对递增的。当CPU要读取一个数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有找到再从二级缓存中查找，如果还是没有就从三级缓存或内存中查找。一般来说，每级缓存的命中率大概都在80%左右，也就是说全部数据量的80%都可以在一级缓存中找到，只剩下20%的总数据量才需要从二级缓存、三级缓存或内存中读取，由此可见一级缓存是整个CPU缓存架构中最为重要的部分。

缓冲作用

高速缓冲存储器Cache是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小但交换速度快。

在Cache中的数据是内存中的一小部分，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可避开内存直接从Cache中调用，从而加快读取速度。由此可见，在CPU中加入Cache是一种高效的解决方案，这样整个内存储器（Cache+内存）就变成了既有Cache的高速度，又有内存的大容量的存储系统了。

Cache对CPU的性能影响很大，主要是因为CPU的数据交换顺序和CPU与Cache间的带宽引起的。1

运作流程

CPU缓存的运作流程

下面简要描述一个假想的直接映射缓存的工作流程。这个缓存共有四个缓存块，每个块16字节，即4个字，因此共有64字节存储空间。使用写回（Write back）策略以保证数据一致性。

系统启动时，缓存内没有任何数据。之后，数据逐渐被载入或换出缓存。假设在此后某一时间点，缓存和内存布局如右图所示。此时，若处理器执行数据读取指令，控制逻辑依如下流程：

• (将地址由高至低划分为四个部分：标签、索引、块内偏移、字节偏移。其中块内偏移和字节偏移各占两位，后者在以下操作中不使用。)

• 用索引定位到相应的缓存块。

• 用标签尝试匹配该缓存块的对应标签值。如果存在这样的匹配，称为命中（Hit）；否则称为未命中（Miss）。

• 如命中，用块内偏移将已定位缓存块内的特定字取出，送回处理器。

• 如未命中，先用此块地址（标签+索引）从内存读取数据并载入到当前缓存块，再用块内索引将位于此块内的特定数据单元取出，送回处理器。这里要注意的是，（1）读入的数据会冲掉之前的内容。为保证数据一致性，必须先将数据块内的现有内容写回内存。（2）尽管处理器请求的只是一个字，缓存仍必须在读取的时候把整个数据块都填充满。（3）缓存的读取是按缓存块大小为边界对齐的。对于大小为16字节的缓存块，任何因为0x0001、或0x0002、或0x0003、或0x0004造成的未命中，都会导致位于内存0x0000—0x0003的全部四个字被读入块中。

• 在右图中，如此时处理器请求的地址在0x0020到0x0023之间，或在0x0004到0x0007之间，或在0x0528到0x052B之间，或在0x05EC到0x05EF之间，均会命中。其余地址则全部未命中。

  而处理器执行数据写入指令时，控制逻辑依如下流程：

• 用索引定位到相应的缓存块。

• 用标签尝试匹配该缓存块的对应标签值。其结果为命中或未命中。

• 如命中，用块内索引定位此块内的目标字。然后直接改写这个字。

• 如未命中，依系统设计不同可有两种处理策略，分别称为分配写（Write allocate）和非分配写（No-write allocate）。如果是分配写，则先如处理读未命中一样，将未命中数据读入缓存，然后再将数据写到被读入的字单元。如果是非分配写，则直接将数据写回内存。

内容概念

一级缓存

CPU缓存

一级缓存（Level 1 Cache）简称L1 Cache，位于CPU内核的旁边，是与CPU结合最为紧密的CPU缓存，也是历史上最早出现的CPU缓存。由于一级缓存的技术难度和制造成本最高，提高容量所带来的技术难度增加和成本增加非常大，所带来的性能提升却不明显，性价比很低，而且现有的一级缓存的命中率已经很高，所以一级缓存是所有缓存中容量最小的，比二级缓存要小得多。

一般来说，一级缓存可以分为一级数据缓存（Data Cache，D-Cache）和一级指令缓存（Instruction Cache，I-Cache）。