淺析CPU二級緩存容量對CPU性能的影響

　代桌面級PC的CPU二級緩存容量大多數在64KB到2MB之間。因為CPU二級緩存容量對CPU性能有不小的影響，是以低端CPU和中高端CPU在實體結構上的差異主要就是二級緩存容量的大小。那麼二級緩存容量為什麼如此重要？它對CPU性能有什麼樣的影響呢？

　　CPU二級緩存作為一級緩存的“後備倉庫”，用于為一級緩存存儲更多的資料，減少CPU直接通路記憶體 的次數。理論上，CPU通路并調用緩存的資料所占的比重越大，則CPU通路并調用記憶體的資料所占的比重就越小，那麼因通路記憶體而耽誤的時間 就越少。是以緩存的容量越大，CPU的實際效率也就越高，性能就越強。

　　實際上，在52硬體上講到，現在Intel和AMD處理器在一級緩存的邏輯結構設計上有所不同，是以二級緩存對CPU性能的影響也不盡相同。因為CPU讀取的 資料(包括指令)中有80%的資料來自一級緩存，是以一級緩存的邏輯結構決定了CPU二級緩存容量對CPU性能的影響。Intel的Pentium 4及Celeron系列處理器的一級資料緩存被稱為“資料代碼指令追蹤(讀寫)緩存”；AMD的Athlon 64/Athlon XP/Sempron/Duron系列處理器 的一級資料緩存叫作“實資料讀寫緩存”。

　　這兩類CPU一級緩存不同的邏輯結構有什麼不同？下面，我用一個例子來描述。

　　假設有一個運算任務，要從“1”一直遞加到“999999”。在傳統的“實資料讀寫緩存”架構下，這一系列資料中最先用到的資料(如 “1、2……449、450”)将存儲在CPU一級資料緩存中，更多的資料(如“451、452……899999、900000”)存儲在CPU二級緩存中，其餘的數 據(如“900001、999002……999998、999999”)暫存在記憶體中，CPU将按照一級資料緩存、二級緩存和記憶體的順序讀取這些資料。

　　傳統的一級資料緩存的存儲方式

　　但是在“資料代碼指令追蹤緩存”架構的CPU中，一級資料緩存并不存儲這些最先用到的資料(“1、2……449、450”)，而是将這些 資料存儲到二級緩存中，一級資料緩存僅僅存儲這些資料在二級緩存中的起止位址(又稱為：指令代碼)。例如，資料“1、2……449、450” 順序存儲在二級緩存中，資料“1”所在位址為“00001F”，資料“450” 所在位址為“00451F”，實際上一級資料緩存隻需要存儲“00001F”和“00451F”這兩個位址就可以了，而不需要存儲大量的資料。

　　“資料代碼指令追蹤緩存”架構的一級資料緩存的存儲方式

　　但是由于其一級資料緩存不存儲資料，資料存儲在二級緩存中，是以對二級緩存容量的依賴非常大，是以CPU需要更大的二級緩存容量 才能發揮出應有的性能。在實際應用中，CPU處理的資料中大多數都是0KB～128KB大小的資料，128KB～256KB的資料約有10％，256KB～512KB的 資料有5％，512KB～1MB的資料僅有3％左右。是以對于這種CPU來說，二級緩存容量從0KB增加到256KB對CPU性能的提高幾乎是直線性的；增加 到512KB對CPU性能的提高稍微小一些；從512KB增加到1MB，普通使用者就很難體會到CPU性能有提高了。正因為如此，大家能感受到Pentium 4 C(512KB二級緩存)與Celeron(128KB二級緩存)的性能差異，卻很難感受到Pentium 4 C(512KB二級緩存)與Pentium 4 E(1MB二級緩存)的性能差異了。