簡介：CPU緩存是CPU一個重要的組成部分，大家都知道三級緩存的重要性，但是知不知道三級緩存意味著什么，是不是三級緩存越大越好呢？讓我們一起來看一下吧。

緩存這個詞想必大家都聽過，其實緩存的意義很廣泛：電腦整機最大的緩存可以體現(xiàn)為內(nèi)存條、顯卡上的顯存就是顯卡芯片所需要用到的緩存、硬盤上也有相對應(yīng)的緩存、CPU有著最快的緩存（L1、L2、L3緩存等），緩存就是數(shù)據(jù)交換的緩沖區(qū)（稱作Cache）。緩存往往都是RAM（斷電即掉的非永久儲存），它們的作用就是幫助硬件更快地響應(yīng)。我們今天就來講一下，關(guān)于最快的緩存——CPU緩存的那些事。

CPU緩存是什么？

CPU緩存的定義為CPU與內(nèi)存之間的臨時數(shù)據(jù)交換器，它的出現(xiàn)是為了解決CPU運行處理速度與內(nèi)存讀寫速度不匹配的矛盾——緩存的速度比內(nèi)存的速度快多了。CPU緩存一般直接跟CPU芯片集成或位于主板總線互連的獨立芯片上。（現(xiàn)階段的CPU緩存一般直接集成在CPU上）CPU往往需要重復(fù)處理相同的數(shù)據(jù)、重復(fù)執(zhí)行相同的指令，如果這部分?jǐn)?shù)據(jù)、指令CPU能在CPU緩存中找到，CPU就不需要從內(nèi)存或硬盤中再讀取數(shù)據(jù)、指令，從而減少了整機的響應(yīng)時間。

CPU-緩存-主內(nèi)存圖示，圖片來自：CPU Caches

CPU緩存速度和內(nèi)存速度差多少？

我們來簡單地打個比方：如果CPU在L1一級緩存中找到所需要的資料要用的時間為3個周期左右，那么在L2二級緩存找到資料的時間就要10個周期左右，L3三級緩存所需時間為50個周期左右；如果要到內(nèi)存上去找呢，那就慢多了，可能需要幾百個周期的時間。

I3-8300處理器技術(shù)規(guī)格

對CPU緩存有一定了解了嗎，讓我們再深入一點。以Intel為例，Intel官網(wǎng)上產(chǎn)品-處理器界面內(nèi)對緩存的定義為：“CPU高速緩存是處理器上的一個快速記憶區(qū)域。英特爾智能高速緩存（SmartCache）是指可讓所有內(nèi)核動態(tài)共享最后一級高速緩存的架構(gòu)。”這里就提及到了最后一級高速緩存的概念，即為CPU緩存中的L3(三級緩存)，那么我們繼續(xù)來解釋一下什么叫三級緩存，分別又是指哪三級緩存。

CPU-緩存-主內(nèi)存圖示，圖片來自：CPU Caches

三級緩存（L1、L2、L3）是什么？

以近代CPU的視角來說，三級緩存（包括L1一級緩存、L2二級緩存、L3三級緩存）都是集成在CPU內(nèi)的緩存，它們的作用都是作為CPU與主內(nèi)存之間的高速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，L1最靠近CPU核心；L2其次；L3再次。運行速度方面：L1最快、L2次快、L3最慢；容量大小方面：L1最小、L2較大、L3最大。CPU會先在最快的L1中尋找需要的數(shù)據(jù)，找不到再去找次快的L2，還找不到再去找L3，L3都沒有那就只能去內(nèi)存找了。L1、L2、L3可以說是各有特點，下面我們就分開來講一下。

一級緩存（L1 Cache）

一級緩存這個名詞出現(xiàn)應(yīng)該是在Intel公司Pentium處理器時代把緩存開始分類的時候，當(dāng)時在CPU內(nèi)部集成的CPU緩存已經(jīng)不能滿足整機的性能需求，而制造工藝上的限制不能在CPU內(nèi)部大幅提高緩存的數(shù)量，所以出現(xiàn)了集成在主板上的緩存，當(dāng)時人們把CPU內(nèi)部集成的CPU緩存成為一級緩存，在CPU外部主板上的緩存稱為二級緩存。

Intel Pentium 4

而一級緩存其實還分為一級數(shù)據(jù)緩存（Data Cache，D-Cache，L1d）和一級指令緩存(Instruction Cache，I-Cache，L1i)，分別用于存放數(shù)據(jù)及執(zhí)行數(shù)據(jù)的指令解碼，兩者可同時被CPU訪問，減少了CPU多核心、多線程爭用緩存造成的沖突，提高了處理器的效能。一般CPU的L1i和L1d具備相同的容量，例如I7-8700K的L1即為32KB+32KB。

二級緩存（L2 Cache）

隨著CPU制造工藝的發(fā)展，本來處于CPU外部的二級緩存也可以輕易地集成進(jìn)CPU內(nèi)部，這種時候再用緩存是否處于CPU內(nèi)部來判斷一二級緩存已經(jīng)不再確切。集成進(jìn)CPU的L2二級緩存運行速率漸漸可以跟上CPU的運行速度了，，其主要作用為當(dāng)CPU在L1中沒讀取到所需要的數(shù)據(jù)時再把數(shù)據(jù)展示給CPU篩選（CPU未命中L1的情況下繼續(xù)在L2尋求命中，緩存命中的工作原理我們稍后再講）。

L2二級緩存比L1一級緩存的容量要更大，但是L2的速率要更慢，為什么呢？首先L2比L1要更遠(yuǎn)離CPU核心，L1是最靠近CPU核心的緩存，CPU需要讀取L2的數(shù)據(jù)從物理距離上比L1要更遠(yuǎn)；L2的容量比L1更大，打個簡單的比喻，在小盒子里面找東西要比在大房間里面找要方便快捷。這里也可以看出，緩存并非越大越好，越靠近CPU核心的緩存運行速率越快越好，非最后一級緩存的緩存容量自然是夠用即可。

Core Duo酷睿雙核處理器

L2二級緩存實際上就是L1一級緩存跟主內(nèi)存之間的緩沖器，在2006年的時間點上，Intel和AMD當(dāng)家在售的幾款處理器可以看出他們對最后一級緩存不同的見解：Intel Core Duo不同于它的前輩Pentium D、EE，采用了雙核心共享的2M L2二級緩存，是屬于當(dāng)時最先二級緩存架構(gòu)，即“Smart Cache”共享緩存技術(shù)，這種技術(shù)沿用到以后的Intel推出的所有多核心處理器上；而AMD Athlon 64 X2處理器則是每個CPU核心都具備獨立的二級緩存，Manchester核心的處理器為每核心512KB、Toledo核心為每核心1MB，兩個核心之間的緩存的數(shù)據(jù)同步是通過CPU內(nèi)置的SRI（系統(tǒng)請求接口）控制，這樣的數(shù)據(jù)延遲及占用資源情況都要比Intel的Pentium D、EE核心要好，但還是比不上Core為代表的Smart Cache緩存共享。

三級緩存（L3 Cache）

最初出現(xiàn)L3三級緩存的應(yīng)該是AMD的K6-III處理器，當(dāng)時受限于制造工藝，L3只能集成在主板上。然后Intel首次出現(xiàn)L3三級緩存的是Itanium安騰服務(wù)器處理器，接著就是P4EE和至強MP。L3三級緩存的出現(xiàn)其實對CPU性能提升呈一個爬坡曲線——L3從0到2M的情況CPU性能提升非常明顯，L3從2M到6M提升可能就只有10%不到了，這是在近代CPU多核共享L3的情況下；當(dāng)L3集成進(jìn)CPU正式成為CPU內(nèi)部緩存后，CPU處理數(shù)據(jù)時只有5%需要在內(nèi)存中調(diào)用數(shù)據(jù)，進(jìn)一步地減少了內(nèi)存延遲，使系統(tǒng)的響應(yīng)更為快速。

Intel Nehalem L3 SmartCache示意圖

同理，L3即為L2與主內(nèi)存之間的緩沖器，主要體現(xiàn)在提升處理器大數(shù)據(jù)處理方面的性能，對游戲表現(xiàn)方面有較大的幫助。那么也許有人就會問了，是不是選擇CPU的時候看準(zhǔn)L3買，哪個CPU的L3大就買哪個？非也，只有同架構(gòu)的情況下這種比較才具有意義，先舉個比較久遠(yuǎn)的例子：Intel具備1MB L3的Xeon MP處理器仍然不是AMD沒有L3的皓龍?zhí)幚砥鲗κ郑賮韨€現(xiàn)有的：Intel I7-8700K 12MB L3和AMD Threadripper 1950X 32MB L3相比，自然是32MB比12MB大，但是平均下來也是一個核心2MB L3，性能就見仁見智了。

CPU緩存是怎樣幫助CPU工作的呢

知道了L1、L2、L3的由來，我們再深入地了解一下CPU緩存是怎么幫助CPU提高工作效率的。

局限性原理，圖片來自：CMU

由于數(shù)據(jù)的局限性，CPU往往需要在短時間內(nèi)重復(fù)多次讀取數(shù)據(jù)，內(nèi)存的運行頻率自然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上CPU的處理速度的，怎么辦呢？緩存的重要性就凸顯出來了，CPU可以避開內(nèi)存在緩存里讀取到想要的數(shù)據(jù)，稱之為命中（hit）。L1的運行速度很快，但是它的數(shù)據(jù)容量很小，CPU能在L1里命中的概率大概在80%左右——日常使用的情況下；L2、L3的機制也類似如此，這樣一來，CPU需要在內(nèi)存中讀取的數(shù)據(jù)大概為5%-10%，其余數(shù)據(jù)命中全部可以在L1、L2、L3中做到，大大減少了系統(tǒng)的響應(yīng)時間，總的來說，所有CPU讀取數(shù)據(jù)的順序都是先緩存再內(nèi)存。

L1、L2、L3緩存跟內(nèi)存速度相差很大，它們構(gòu)成上的不同導(dǎo)致了其速度的差距，那么CPU緩存和內(nèi)存分別是怎樣構(gòu)成的呢？

緩存SRAM與內(nèi)存DRAM的區(qū)別

CPU緩存基本由SRAM（Static RAM，靜態(tài)RAM）構(gòu)成，內(nèi)存的DRAM其實是SDRAM（同步動態(tài)隨機儲存器），是DRAM（Dynamic RAM，動態(tài)）的一種。

DRAM

DRAM只含一個晶體管和一個電容器，集成度非常高，可以輕松做出大容量（內(nèi)存），但是因為靠電容器來儲存信息，所以需要不斷刷新補充電容器的電荷，充電放電之間的時間差導(dǎo)致了DRAM比SRAM的反應(yīng)要緩慢得多。

SRAM

SRAM相比DRAM的復(fù)雜度就高了不止一籌，所以導(dǎo)致SRAM的集成度很低——前期CPU緩存不能集成進(jìn)CPU內(nèi)部也有這個原因。SRAM的特點就是快，有電就有數(shù)據(jù)，不需要刷新時間所以凸顯其數(shù)據(jù)傳輸速度很快，缺點就是占據(jù)面積大、成本低。假如一個DRAM占據(jù)一個單位的地方，一個SRAM就要占據(jù)六個單位的地方，差別還是挺大的。

番外：L4四級緩存和eDRAM

I7-4750H

并不是每個CPU都會使用SRAM作為CPU緩存，IBM的Power系列處理器就使用了eDRAM作為CPU緩存；我們再看看Intel Haswell I7-4750H這個CPU，其主要受關(guān)注的地方在于CPU內(nèi)嵌入了128MB的eDRAM作為顯存讓核心顯卡Iris Pro 5200使用，在不使用核心顯卡的時候，128MB eDRAM將會成為處理器的L4四級緩存。當(dāng)然了，I7-4750H多了L4之后在處理器性能上也沒提高多少，eDram緩存的主要作用還是在于給核心顯卡當(dāng)顯存上。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的CPU缓存会分为一级缓存L1、L2、L3的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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