浅析CPU二级缓存容量对CPU性能的影响

浅析CPU二级缓存容量对CPU性能的影响现代桌面级PC的CPU二级缓存容量大多数在64KB到2MB之间。因为CPU二级缓存容量对CPU性能有不小的影响，所以低端CPU和中高端CPU在物理结构上的差异主要就是二级缓存容量的大小。那么二级缓存容量为什么如此重要？它对CPU性能有什么样的影响呢？正如在《浅谈CPU缓存的分级》中所讲的，CPU二级缓存作为一级缓存的“后备仓库”，用于为一级缓存存储更多的数据，减少CPU直接访问内存的次数。理论上，CPU访问并调用缓存的数据所占的比重越大，则CPU访问并调用内存的数据所占的比重就越小，那么因访问内存而耽误的时间就越少。所以缓存的容量越大，CPU的实际效率也就越高，性能就越强。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。因为CPU读取的数据（包括指令）中有80%的数据来自一级缓存，所以一级缓存的逻辑结构决定了CPU二级缓存容量对CPU性能的影响。Intel的Pentium4及Celeron系列处理器的一级数据缓存被称为“数据代码指令追踪（读写）缓存”；AMD的Athlon64/AthlonXP/Sempron/Duron系列处理器的一级数据缓存叫作“实数据读写缓存”。这两类CPU一级缓存不同的逻辑结构有什么不同？下面，我用一个例子来描述。假设有一个运算任务，要从“1”一直递加到“999999”。在传统的“实数据读写缓存”架构下，这一系列数据中最先用到的数据（如“1、2……449、450”）将存储在CPU一级数据缓存中，更多的数据（如“451、452……899999、900000”）存储在CPU二级缓存中，其余的数据（如“900001、999002……999998、999999”）暂存在内存中，CPU将按照一级数据缓存、二级缓存和内存的顺序读取这些数据。传统的一级数据缓存的存储方式但是在“数据代码指令追踪缓存”架构的CPU中，一级数据缓存并不存储这些最先用到的数据（“1、2……449、450”），而是将这些数据存储到二级缓存中，一级数据缓存仅仅存储这些数据在二级缓存中的起止地址（又称为：指令代码）。例如，数据“1、2……449、450”顺序存储在二级缓存中，数据“1”所在地址为“00001F”，数据“450”所在地址为“00451F”，实际上一级数据缓存只需要存储“00001F”和“00451F”这两个地址就可以了，而不需要存储大量的数据。“数据代码指令追踪缓存”架构的一级数据缓存的存储方式但是由于其一级数据缓存不存储数据，数据存储在二级缓存中，因此对二级缓存容量的依赖非常大，所以CPU需要更大的二级缓存容量才能发挥出应有的性能。在实际应用中，CPU处理的数据中大多数都是0KB～128KB大小的数据，128KB～256KB的数据约有10％，256KB～512KB的数据有5％，512KB～1MB的数据仅有3％左右。所以对于这种CPU来说，二级缓存容量从0KB增加到256KB对CPU性能的提高几乎是直线性的；增加到512KB对CPU性能的提高稍微小一些；从512KB增加到1MB，普通用户就很难体会到CPU性能有提高了。正因为如此，大家能感受到Pentium4C（512KB二级缓存）与Celeron（128KB二级缓存）的性能差异，却很难感受到Pentium4C(512KB二级缓存)与Pentium4E（1MB二级缓存）的性能差异了。CPU处理数据大小的概率分布图例如，同为2.8GHz主频的CeleronD（256KB二级缓存）和Pentium4E(1MB二级缓存)运算superπ104万位的耗时分别为56秒和48秒，除去外频（前者为133MHz，后者为200MHz）的差异和超线程技术的影响，两者的性能差距只有10％左右，对于普通用户而言这样的性能差距是微不足道的；只有对CPU运算性能要求“苛刻”的玩家来说更大的二级缓存容量才是必须的。CeleronDPentium4E相对的，由于AMD的Athlon64/AthlonXP/Sempron/Duron系列产品的一级数据缓存直接存储数据，而且128KB的容量在大多数情况下就可以承担CPU所急需的数据，所以其二级缓存对CPU性能的影响并没有那么大。这也就解释了为什么主频和外频相同的AthlonXP（256KB或512KB二级缓存）和Duron（64KB二级缓存）虽然二级缓存容量差异巨大，但实际性能差距不大的原因。而且Athlon64/Sempron系列CPU在内存控制器、流水线长度、频率、总线架构和扩展指令集等诸多方面与以前的产品都有差异，因此在性能上受二级缓存容量的影响就更小了。SempronAthlon64综上所述，在CPU性能方面，并非只从二级缓存容量上作对比就可以得到准确的答案，实际上还要考虑到缓存的总体设计结构、一级数据缓存容量等因素。虽然从总体上来讲，二级缓存容量越大越好，但是并不是二级缓存容量提高一倍就能使CPU性能提升一倍。因此对于一般家庭用户来说，电脑主要是用来上网、欣赏音乐和电影以及文字处理，二级缓存为256KB的CeleronD或Sempron已经足够了。只有对3D游戏、办公软件和多媒体编辑性能要求较高的用户才需要更大二级缓存的CPU。