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指令集与指令缓存?

归档日期:07-27       文本归类:指令和数据      文章编辑:爱尚语录

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  展开全部CPU缓存(Cache Memoney)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。在缓存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缓存中调用,从而加快读取速度。由此可见,在CPU中加入缓存是一种高效的解决方案,这样整个内存储器(缓存+内存)就变成了既有缓存的高速度,又有内存的大容量的存储系统了。缓存对CPU的性能影响很大,主要是因为CPU的数据交换顺序和CPU与缓 存间的带宽引起的。

  缓存的工作原理是当CPU要读取一个数据时,首先从缓存中查找,如果找到就立即读取并送给CPU处理;如果没有找到,就用相对慢的速度从内存中 读取并送给CPU处理,同时把这个数据所在的数据块调入缓存中,可以使得以后对整块数据的读取都从缓存中进行,不必再调用内存。

  正是这样的读取机制使CPU读取缓存的命中率非常高(大多数CPU可达90%左右),也就是说CPU下一次要读取的数据90%都在缓存中,只有 大约10%需要从内存读取。这大大节省了CPU直接读取内存的时间,也使CPU读取数据时基本无需等待。总的来说,CPU读取数据的顺序是先缓存后内存。

  最早先的CPU缓存是个整体的,而且容量很低,英特尔公司从Pentium时代开始把缓存进行了分类。当时集成在CPU内核中的缓存已不足以满 足CPU的需求,而制造工艺上的限制又不能大幅度提高缓存的容量。因此出现了集成在与CPU同一块电路板上或主板上的缓存,此时就把 CPU内核集成的缓 存称为一级缓存,而外部的称为二级缓存。一级缓存中还分数据缓存(I-Cache)和指令缓存(D-Cache)。二者分别用来存放数据和执行这些数据的 指令,而且两者可以同时被CPU访问,减少了争用Cache所造成的冲突,提高了处理器效能。英特尔公司在推出Pentium 4处理器时,还新增了一种一级追踪缓存,容量为12KB.

  随着CPU制造工艺的发展,二级缓存也能轻易的集成在CPU内核中,容量也在逐年提升。再用集成在CPU内部与否来定义一、二级缓存,已不 确切。而且随着二级缓存被集成入CPU内核中,以往二级缓存与CPU大差距分频的情况也被改变,此时其以相同于主频的速度工作,可以为CPU提供更高的传 输速度。

  二级缓存是CPU性能表现的关键之一,在CPU核心不变化的情况下,增加二级缓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级缓存上有差异,由此可见二级缓存对于CPU的重要性。

  CPU在缓存中找到有用的数据被称为命中,当缓存中没有CPU所需的数据时(这时称为未命中),CPU才访问内存。从理论上讲,在一颗拥有二级 缓存的CPU中,读取一级缓存的命中率为80%。也就是说CPU一级缓存中找到的有用数据占数据总量的80%,剩下的20%从二级缓存中读取。由于不能准 确预测将要执行的数据,读取二级缓存的命中率也在80%左右(从二级缓存读到有用的数据占总数据的16%)。那么还有的数据就不得不从内存调用,但这已经 是一个相当小的比例了。

  较高端的CPU中,还会带有三级缓存,它是为读取二级缓存后未命中的数据设计的—种缓存,在拥有三级缓存的CPU中,只有约 5%的数据需要从内存中调用,这进一步提高了CPU的效率。

  L1高速缓存,也就是我们经常说的一级高速缓存。在CPU里面内置了高速缓存可以提高CPU的运行效率。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大,不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成,结构较复杂,在CPU管芯面积不能太大的情况下,L1级高速缓存的容量不可能做得太大。采用回写(Write Back)结构的高速缓存。它对读和写*作均有可提供缓存。而采用写通(Write-through)结构的高速缓存,仅对读*作有效。在486以上的计算机中基本采用了回写式高速缓存。在目前流行的处理器中,奔腾Ⅲ和Celeron处理器拥有32KB的L1高速缓存,奔腾4为8KB,而AMD的Duron和Athlon处理器的L1高速缓存高达128KB。

  L2高速缓存,指CPU第二层的高速缓存,第一个采用L2高速缓存的是奔腾 Pro处理器,它的L2高速缓存和CPU运行在相同频率下的,但成本昂贵,市场生命很短,所以其后奔腾 II的L2高速缓存运行在相当于CPU频率一半下的。接下来的Celeron处理器又使用了和CPU同速运行的L2高速缓存,现在流行的CPU,无论是AthlonXP和奔腾4,其L2高速缓存都是和CPU同速运行的。除了速度以外,L2高速缓存容量也会影响CPU的性能,原则是越大越好,现在家庭用CPU容量最大的是512KB,而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存更高达1MB-3MB。

  cpuL1缓存首先是CPU的内部结构决定,CPU是由硅晶原片切割而成的,一块晶原片切割的CPU块有限,所以一个CPU的结构要非常合理地搭配L1,L2缓存大小,P4640比P4630高频,所以内部结构有所不同。而L1缓存的作用是数据交换的“超高速”通道,所以其大小不是重点,内部参数才是关键,只要参数(CL值,延迟等)够快,完全可以弥补大小的差距,像P-M 1。7G的CPU由于L1缓存的参数够高,虽然容量有不足,但在性能测试上L1缓存的速度比P4 630快的多。所以不必刻意要求L1缓存大小。(另外,CPU的缓存速度比一般内存快的多,大概快几十倍)

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