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系统性能之二级缓存大揭秘 从512K到12M

归档日期:04-24       文本归类:二级高速缓存      文章编辑:爱尚语录

  处理器要想显著的提升性能,不外乎四种方法:改进微处理器架构、增加处理器核心数量、提升频率和增加二级缓存。而就目前的使用环境来说,有的时候增加处理器核心数量并不能很好的带来性能提升,而架构更新一般属于整代产品更新之际才能出现。因此在需要沿用数年相同架构的处理器来说,主频和二级缓存则成为了提升性能,拉开产品差距的主要手段。

  我们都知道,处理器在执行指令时,会将执行结果暂时存放在名为“寄存器”的单元中,由于“寄存器”集成在处理器内部,与整数、浮点单元等构成处理器的重要元件,因此“寄存器”中的指令可以很快就被处理器所访问读取,但受到处理器内核的大小限制,寄存器的容量不可能做的很大,因此处理器所需要读取和处理的大量指令和数据还会在内存(RAM)当中,处理器为了完成指令操作,需要频繁地向内存发送接收指令、数据。但由于内存的处理速度远低于处理器内部的“寄存器”,所以处理器与系统之间的瓶颈在这里就产生了,处理器在处理指令时往往花费很多时间在等待内存做准备工作。为了解决这个问题,人们在处理器内集成了一个比内存快许多的“Cache”,这就是最早的“高速缓存”。

  一级缓存和二级缓存对于处理器的性能影响可谓至关重要,一级缓存与二级缓存一般情况下被称为高速缓存,处理器在运行时首先从一级缓存读取数据,然后从二级缓存读取数据,最后才会从内存和虚拟内存读取数据,因此高速缓存的容量和速度直接影响到处理器的工作性能。一级缓存历来都是内置在处理器内部并于处理器同速运行,可以有效的提高处理器的运行效率。一级缓存越大,处理器的运行效率自然也就越高。但凡事都有利也有弊,正是因为一级缓存是内置在处理器内部,受到工艺和晶体管数量的约束,也就造成了一级缓存的容量不可能做的很大。另外一点还在于一级缓存要增加容量必要会牵扯到对处理器内核方面的改动,相对于增加二级缓存来说难度更大。

  二级缓存虽然在速度上无法与一级缓存相比,不过依靠容量上的优势,还是会对处理器运行效率产生很大的影响。从以前的处理器来看,二级缓存大致分为两种:内部和外部。内部二级缓存是集成在处理器内部,运行速度与处理器频率相同,现在的酷睿2处理器依旧采用这种方式。外部二级缓存应用最广的时候是在Intel PII、PIII处理器的Slot1时代,其二级缓存就是集成在处理器外部,以处理器时钟频率一半的速度运行,比较来说,集成在处理器外部的二级缓存在执行效率方面较低。

  一级高速缓存是与处理器完全同步运行的存储器,也就是我们常说的一级缓存,如果处理器需要的数据和指令已经在高速缓存中了,那么处理器不必等待,直接就可以从一级缓存中取得数据,如果数据不在一级缓存中,处理器再从二级缓存中提取数据,大大提高了系统的工作效率。但处理器的缓存也不是越大越好。首先是高速缓存的成本问题,高速缓存都是采用速度快、而价格昂贵的静态RAM(SRAM),价格成本原高于我们使用的内存成本。此外由于每个SRAM内存单元都是由4~6个晶体管构成,增加缓存会带来CPU集成晶体管数量的激增,好比目前的QX9650处理器,其自身晶体管数量为8.2亿,而其中一半以上的晶体管数量都出自二级缓存,并且随着一级、二级缓存的增加,发热量也将随之增大,会给研发和量产带来不小的困难。最后一点就是在整个处理器的架构设计上,如果架构设计存在问题,如缓存分配、使用、管理机制任何一个环节出现问题,都会造成缓存使用率不高、无法提升性能的情况出现。

  对于缓存的理论介绍我们在网上就可以搜索出大量的信息,所以至此,我们也不再对其进行更多的理论介绍,因为对于广大用户来说,实际的使用效果才是关键。理论上的东西再美好也不是用户们所关注的。下面就让我们一起来探寻一下不同缓存下,处理器的性能表现。

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