CPU二級緩存

緩存的工作原理是當CPU要讀取一個數據時，首先從緩存中查找，如果找到就立即讀取並送給CPU處理；如果沒有找到，就用相對慢的速度從內存中讀取並送給CPU處理，同時把這個數據所在的數據塊調入緩存中，可以使得以後對整塊數據的讀取都從緩存中進行，不必再調用內存。

正是這樣的讀取機制使CPU讀取緩存的命中率非常高（大多數CPU可達90%左右），也就是説CPU下一次要讀取的數據90%都在緩存中，只有大約10%需要從內存讀取。這大大節省了CPU直接讀取內存的時間，也使CPU讀取數據時基本無需等待。總的來説，CPU讀取數據的順序是先緩存後內存。

最早先的CPU緩存是個整體的，而且容量很低，英特爾公司從Pentium時代開始把緩存進行了分類。當時集成在CPU內核中的緩存已不足以滿足CPU的需求，而製造工藝上的限制又不能大幅度提高緩存的容量。因此出現了集成在與CPU同一塊電路板上或主板上的緩存，此時就把 CPU內核集成的緩存稱為一級緩存，而外部的稱為二級緩存。一級緩存中還分數據緩存（Data Cache，D-Cache）和指令緩存（Instruction Cache，I-Cache）。二者分別用來存放數據和執行這些數據的指令，而且兩者可以同時被CPU訪問，減少了爭用Cache所造成的衝突，提高了處理器效能。英特爾公司在推出Pentium 4處理器時，用新增的一種一級追蹤緩存替代指令緩存，容量為12KμOps，表示能存儲12K條微指令。

隨着CPU製造工藝的發展，二級緩存也能輕易的集成在CPU內核中，容量也在逐年提升。再用集成在CPU內部與否來定義一、二級緩存，已不確切。而且隨着二級緩存被集成入CPU內核中，以往二級緩存與CPU大差距分頻的情況也被改變，此時其以相同於主頻的速度工作，可以為CPU提供更高的傳輸速度。

CPU產品中，一級緩存的容量基本在4KB到64KB之間，二級緩存的容量則分為128KB、256KB、512KB、1MB、2MB等。一級緩存容量各產品之間相差不大，而二級緩存容量則是提高CPU性能的關鍵。二級緩存容量的提升是由CPU製造工藝所決定的，容量增大必然導致CPU內部晶體管數的增加，要在有限的CPU面積上集成更大的緩存，對製造工藝的要求也就越高

CPU的二級緩存一般情況下你感覺不是很明顯。但是它的作用卻不可忽視。它是暫存CPU運算時的數據的。硬盤的緩存主要在讀/寫的時候很突出。是CPU的二級緩存是在運行時候突出出來的，兩者相比不是很明顯。

你認為如果大於512K的和1M的都一樣的話。英特爾公司為什麼還推出1M的呢？他為什麼不把1M的緩存分成兩個512K的放在兩個CPU上從而降低成本呢？你用兩台同樣配置的電腦放上兩個不同的CPU。一個放P4 2.8E（1M二級緩存）。另一個放P4 2.8C（512K）的。然後同時運行1G左右視頻轉換！你會發現2.8E的要比2.8C的快1/5左右。

二級緩存是CPU性能表現的關鍵之一，在CPU核心不變化的情況下，增加二級緩存容量能使性能大幅度提高。而同一核心的CPU高低端之分往往也是在二級緩存上有差異，由此可見二級緩存對於CPU的重要性。

CPU在緩存中找到有用的數據被稱為命中，當緩存中沒有CPU所需的數據時（這時稱為未命中），CPU才訪問內存。從理論上講，在一顆擁有二級緩存的CPU中，讀取一級緩存的命中率為80%。也就是説CPU一級緩存中找到的有用數據佔數據總量的80%，剩下的20%從二級緩存中讀取。由於不能準確預測將要執行的數據，讀取二級緩存的命中率也在80%左右（從二級緩存讀到有用的數據佔總數據的16%）。那麼還有的數據就不得不從內存調用，但這已經是一個相當小的比例了。較高端的CPU中，還會帶有三級緩存，它是為讀取二級緩存後未命中的數據設計的—種緩存，在擁有三級緩存的CPU中，只有約5%的數據需要從內存中調用，這進一步提高了CPU的效率。

為了保證CPU訪問時有較高的命中率，緩存中的內容應該按一定的算法替換。一種較常用的算法是“最近最少使用算法”（LRU算法），它是將最近一段時間內最少被訪問過的行淘汰出局。因此需要為每行設置一個計數器，LRU算法是把命中行的計數器清零，其他各行計數器加1。當需要替換時淘汰行計數器計數值最大的數據行出局。這是一種高效、科學的算法，其計數器清零過程可以把一些頻繁調用後再不需要的數據淘汰出緩存，提高緩存的利用率。 ^[1]