CPU緩存的作用

高速緩衝存儲器Cache是位於CPU與內存之間的臨時存儲器，它的容量比內存小但交換速度快。 那CPU緩存的作用有哪些？下面是小編整理的，歡迎大家閲讀！更多相關信息請關注相關欄目！

在Cache中的數據是內存中的一小部分，但這一小部分是短時間內CPU即將訪問的，當CPU調用大量數據時，就可避開內存直接從Cache中調用，從而加快讀取速度。由此可見，在CPU中加入Cache是一種高效的解決方案，這樣整個內存儲器（Cache 內存）就變成了既有Cache的高速度，又有內存的大容量的存儲系統了。

Cache對CPU的性能影響很大，主要是因為CPU的數據交換順序和CPU與Cache間的帶寬引起的。

高速緩存的工作原理

1、讀取順序

CPU要讀取一個數據時，首先從Cache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Cache中，可以使得以後對整塊數據的讀取都從Cache中進行，不必再調用內存。

正是這樣的讀取機制使CPU讀取Cache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Cache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Cache後內存。

2、緩存分類

前面是把Cache作為一個整體來考慮的，現在要分類分析了。Intel從Pentium開始將Cache分開，通常分為一級高速緩存L1和二級高速緩存L2。

在以往的觀念中，L1 Cache是集成在CPU中的，被稱為片內Cache。在L1中還分數據Cache（I-Cache）和指令Cache（D-Cache）。它們分別用來存放數據和執行這些數據的指令，而且兩個Cache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。

在P4處理器中使用了一種先進的一級指令Cache——動態跟蹤緩存。它直接和執行單元及動態跟蹤引擎相連，通過動態跟蹤引擎可以很快地找到所執行的指令，並且將指令的順序存儲在追蹤緩存裏，這樣就減少了主執行循環的解碼週期，提高了處理器的運算效率。

以前的L2 Cache沒集成在CPU中，而在主板上或與CPU集成在同一塊電路板上，因此也被稱為片外Cache。但從PⅢ開始，由於工藝的提高L2 Cache被集成在CPU內核中，以相同於主頻的速度工作，結束了L2 Cache與CPU大差距分頻的歷史，使L2 Cache與L1 Cache在性能上平等，得到更高的傳輸速度。 L2Cache只存儲數據，因此不分數據Cache和指令Cache。在CPU核心不變化的情況下，增加L2 Cache的容量能使性能提升，同一核心的'CPU高低端之分往往也是在L2 Cache上做手腳，可見L2 Cache的重要性。現在CPU的L1 Cache與L2 Cache惟一區別在於讀取順序。

3、讀取命中率

CPU在Cache中找到有用的數據被稱為命中，當Cache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2級Cache的CPU中，讀取L1 Cache的命中率為80%。也就是説CPU從L1 Cache中找到的有用數據佔數據總量的80%，剩下的20%從L2 Cache讀取。由於不能準確預測將要執行的數據，讀取L2的命中率也在80%左右（從L2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。在一些高端領域的CPU（像Intel的Itanium）中，我們常聽到L3 Cache，它是為讀取L2 Cache後未命中的數據設計的—種Cache，在擁有L3 Cache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，Cache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Cache，提高Cache的利用率。 緩存技術的發展

總之，在傳輸速度有較大差異的設備間都可以利用Cache作為匹配來調節差距，或者説是這些設備的傳輸通道。在顯示系統、硬盤和光驅，以及網絡通訊中，都需要使用Cache技術。但Cache均由靜態RAM組成，結構複雜，成本不菲，使用現有工藝在有限的面積內不可能做得很大，不過，這也正是技術前進的源動力，有需要才有進步!