L1，L2，L3 Cache缓存原理

落日映苍穹つ 2024-03-22 16:40 48阅读 0赞

#### 一、介绍 ####

CPU缓存（Cache Memory）也被称为Cache，是存储器子系统的组成部分，存放着程序经常使用的指令和数据。从广义的角度上看，Cache是快设备为了缓解访问慢设备延时的预留的Buffer，从而可以在掩盖访问延时的同时，尽可能地提高数据传输率。

#### 二、位置 ####

CPU缓存位于CPU与内存之间的临时存储器，一般在在CPU内核里，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。最初缓存只有一级，二级缓存（L2 CACHE）出现是为了协调一级缓存与内存之间的速度。二级缓存比一级缓存速度更慢，容量更大，主要就是做一级缓存和内存之间数据临时交换的地方用。实际上，现在Intel和AMD处理器在一级缓存的逻辑结构设计上有所不同，所以二级缓存对CPU性能的影响也不尽相同。

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#### 三、工作原理 ####

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。

#### 四、为什么要分级 ####

CPU中有L1、L2、L3甚至L4级Cache。为什么搞这么麻烦CPU厂商直接把L1和L2加倍不就好了吗？  
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（Data Cache，D-Cache）和指令缓存（Instruction Cache，I-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。

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一般来说，每级缓存的命中率大概都在80%左右，也就是说全部数据量的80%都可以在一级缓存中找到，只剩下20%的总数据量才需要从二级缓存、三级缓存或内存中读取，由此可见一级缓存是整个CPU缓存架构中最为重要的部分。

多级CACHE的设计，只是为了一个目的：既快，又成本低。这就是因为主内存不够快，而又必须得控制成本不能让电脑太贵而设计的。也就是说，如果现在主流的内存DRAM够快的话，这几级cache就会完全消失的。

参考：

[Cache为什么有那么多级？为什么一级比一级大？是不是Cache越大越好？ - 知乎][Cache_Cache_ -]

[二级缓存是什么意思 为什么要分一二三级缓存-电子发烧友网][_-]

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[Cache_Cache_ -]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/32058808
[_-]: https://m.elecfans.com/article/728847.html