深入解讀CPU，CPU緩存對(duì)性能的影響有多大?

CPU，其實(shí)也就是我們的電腦、筆記本中存在的一個(gè)芯片。對(duì)于CPU的認(rèn)識(shí)，其實(shí)大家也都停留在表面，并未對(duì)CPU有過(guò)多的研究。為增進(jìn)大家對(duì)CPU的認(rèn)識(shí)，本文將對(duì)CPU的緩存予以介紹。如果你對(duì)CPU具有興趣，不妨和小編一起來(lái)繼續(xù)往下閱讀哦。

說(shuō)到CPU，不得不說(shuō)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(gè)必要指標(biāo)，那么CPU緩存到底對(duì)CPU性能的影響有多大呢?

我們知道，CPU執(zhí)行指令時(shí)，會(huì)將執(zhí)行結(jié)果放在一個(gè)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(wèn)，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(shí)往往花費(fèi)很多時(shí)間在等待內(nèi)存做準(zhǔn)備工作。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們?cè)贑PU內(nèi)部集成了一個(gè)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(yùn)行的存儲(chǔ)器，也就是我們常說(shuō)的一級(jí)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(jí)緩存(L1)中取得數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)不在L1中，CPU再?gòu)亩?jí)緩存(L2)中提取數(shù)據(jù)，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。

我們可以形象地把CPU的運(yùn)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(cāng)庫(kù)A。

工廠生產(chǎn)所需要的原材料每次都要花時(shí)間去遠(yuǎn)處的倉(cāng)庫(kù)A調(diào)運(yùn)，而且到達(dá)倉(cāng)庫(kù)后，還要等待倉(cāng)庫(kù)準(zhǔn)備好材料，中間浪費(fèi)了不少時(shí)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(cāng)庫(kù)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(cāng)庫(kù)A之間的運(yùn)輸所花費(fèi)的時(shí)間就更長(zhǎng)了，工廠生產(chǎn)所需的原料供應(yīng)不足，經(jīng)常處于空運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下。這就是說(shuō)當(dāng)CPU頻率增加后，CPU與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)等待需時(shí)間會(huì)變得更長(zhǎng)。

要解決CPU與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)不同步這個(gè)系統(tǒng)瓶頸問(wèn)題，其中一個(gè)辦法是在靠近工廠的市區(qū)設(shè)置一個(gè)小型的倉(cāng)庫(kù)B(L1 Cache)。

平時(shí)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(cāng)庫(kù)A(內(nèi)存)調(diào)配到倉(cāng)庫(kù)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(guò)來(lái)，減少空運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間。當(dāng)所需的原材料在倉(cāng)庫(kù)B中找不到(緩存未命中)時(shí)，仍然要到倉(cāng)庫(kù)A(內(nèi)存)里調(diào)配，雖然無(wú)可避免地使工廠又進(jìn)入空運(yùn)轉(zhuǎn)，或部分空運(yùn)轉(zhuǎn)(CPU等待若干個(gè)時(shí)鐘周期)，但這樣畢竟使等待時(shí)間大大降低了。

小知識(shí)：緩存有一個(gè)“預(yù)讀”功能，也就是可以通過(guò)一定的算法，猜測(cè)接下來(lái)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(cāng)庫(kù)A(內(nèi)存)搬離郊區(qū)，遷到更遠(yuǎn)的地方了。解決這一問(wèn)題的一個(gè)更好的辦法就是在城市的邊緣再設(shè)立一個(gè)比倉(cāng)庫(kù)B大的倉(cāng)庫(kù)C，也就是我們說(shuō)的二級(jí)緩存。

它的作用是把郊區(qū)之外的倉(cāng)庫(kù)A(內(nèi)存)中最迫切用的材料(指令)運(yùn)到倉(cāng)庫(kù)C，而工廠如果在倉(cāng)庫(kù)B中找不到所需的材料，就可以到倉(cāng)庫(kù)C中找，而不必老遠(yuǎn)跑到倉(cāng)庫(kù)A那里找，節(jié)省了不少時(shí)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(fèi)問(wèn)題。

當(dāng)然，CPU緩存并不是越大越好，因?yàn)榫彺娌捎玫氖撬俣瓤?、價(jià)格昂貴的靜態(tài)RAM(SRAM)，由于每個(gè)SRAM內(nèi)存單元都是由4~6個(gè)晶體管構(gòu)成，增加緩存會(huì)帶來(lái)CPU集成晶體管個(gè)數(shù)大增，發(fā)熱量也隨之增大，給設(shè)計(jì)制造帶來(lái)很大的難度。所以就算緩存容量做得很大，但如果設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成緩存的延時(shí)，CPU的性能也未必得到提高

以上便是此次小編帶來(lái)的CPU相關(guān)內(nèi)容，通過(guò)本文，希望大家對(duì)CPU已經(jīng)具備一定的了解。如果你喜歡本文，不妨持續(xù)關(guān)注我們網(wǎng)站哦，小編將于后期帶來(lái)更多精彩內(nèi)容。最后，十分感謝大家的閱讀，have a nice day!