2、高速缓存的工作原理

　　Cache的工作原理是基于计算机程序访问的局部性。对大量典型程序运行情况的分析结果表明，在一个较短的时间间隔内，由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内。对这些地址的访问具有时间上集中分布的倾向。数据分布以及工作单元的选择都可以使存储器地址相对集中。这种对局部范围的存储器地址频繁访问，而对此范围以外的地址则访问甚少的现象，就称为程序访问的局部性。根据程序的局部性原理，就为Cache的存在提供了理论依据，系统正是依据此原理，不断地将与当前指令集相关联的一个不太大的后继指令集从内存读到Cache，然后再与CPU高速传送，从而达到速度匹配。
　　
　　3、高速缓存的分级结构

　　CPU高速缓存是分级构造的，一般由L1和L2两极构成，通常L1 Cache的速度最快，与CPU核心的距离也最近，但容量较小，而L2 Cache 速度稍慢，但容量较大。Cache采用分级结构的主要理由在于：对于一个典型的一级缓存系统的80％的内存申请都发生在CPU内部，只有20％的内存申请是与外部内存打交道。而这20％的外部内存申请中的80％又与二级缓存打交道。因此，采用分级结构将更加有利于效能的提升和成本的合理分配。
　　
　　这种分层的高速缓存布局有助于弥合处理器与系统内存速度之间不断加大的差距，处理器速度每年大约提高50％，而DRAM存取速度每年仅提高5％,由于性能不匹配程度的加剧，CPU将增加第三级，甚至第四级高速缓存。
　　
　　4、高速缓存的构成

　　 目前Cache基本上都是采用SRAM存储器，SRAM是英文Static RAM的缩写，它是一种具有静志存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。不像DRAM内存那样需要刷新电路，每隔一段时间，固定要对DRAM刷新充电一次，否则内部的数据即会消失，因此SRAM具有较高的性能，但是SRAM也有它的缺点，即它的集成度较低，相同容量的DRAM内存可以设计为较小的体积，但是SRAM却需要很大的体积，这也是目前不能将Cache容量做得太大的重要原因。它的特点归纳如下：优点，节能、速度快，不必配合内存刷新电路，可提高整体的工作效率。 缺点，集成度低，相同的容量体积较大，而且价格较高，少量用于关键性系统以提高效率。
　　
二、CPU 高速缓存的发展历史

　　高速缓存最初应用在CPU领域，目前在CPU领域的应用也最为广泛和深入。下面就简单谈谈高速缓存随CPU的发展而不断变化的历史过程。

　　1、80486开始出现了内部Cache

　　PC在诞生的初期并不存在Cache的概念，由于CPU主频很低，DRAM的存取时间甚至快于CPU存取时间，因此无需Cache。 80386时代开始出现了外部Cache。在80486时代CPU内部才正式出现了Cache。实际上80486就是由更高主频的80386 加80387数字协处理器以及8kB 内部Cache构成。80486芯片内由8kB的Cache来存放指令和数据。同时，80486也可以使用处理器外部的第二级Cache,用以改善系统性能并降低80486要求的总线带宽。
　　
　　2、Peutium时代Cache技术发展迅速

　　Peutium不仅分离L1 Cache和L2 Cache ，而且由于Pentium处理器采用了超标量结构双路执行的流水线，有2条并行整数流水线，处理器也需要对命令和数据进进双倍的访问。为使这些访问不互相干涉，Intel把在486上共用的内部Cache，分成2个彼此独立的8kB代码Cache和8kB数据Cache，这两个Cache可以同时被访问。这种双路高速缓存结构减少了争用Cache所造成的冲突，提高了处理器效能。Pentium的Cache还采用了回写写入方式，这同486的贯穿写入方式相比，可以增加Cache的命中率。此外，还采用了一种称为MESI高速缓存一致性协议，为确保多处理器环境下的数据一致性提供了保证。在Pentium MMX中更是增大了L1的容量，并改进了相关的算法。
　　
　　3、Pentium Pro出现内嵌式L2 Cache

　　为使Pentium Pro的性能超过Pentium,必需使用创新的设计方法，Pentium Pro使用了内嵌式L2 Cache，大小为512kB。此时的L2已经用线路直接连到CPU上，好处就是减少了对L1 Cache的需求。L2 Cache与CPU同步运行。当L1 Cache不命中时，立刻访问L2 Cache，不产生附加延迟。为进一步减少因要访问的信息不在高速缓冲中时所带来的性能损失，Pentium Pro的L1和L2都设计成非锁定型。即当哪个Cache中没有CPU所需的信息时，它不妨碍后面访问Cache的处理过程。但限于当时的CPU制造工艺，Pentium Pro的内嵌式L2 Cache 良品率太低，生产成本过高， Pentium Pro成为一款寿命短暂的过渡产品。
　　
　　4、PentiumⅡ的双重独立总线

　　PentiumⅡ是Pentium Pro的改进型，具有MMX指令，使用动态执行技术，采用双独立总线结构。PentiumⅡ同样有2级Cache，L1为32kB(指令和数据Cache各16kB)是Pentium Pro的一倍。L2为512kB。
　　Pentium Ⅱ与Pentium Pro在L2 Cache 的不同主要在于L2 Cache已不在内嵌芯片上，而是与CPU通过专用64位高速缓存总线相联，与其它元器件共同被组装在同一基板上，即“单边接触盒”上。双独立总线结构就是：L2高速缓存总线和处理器至主内存的系统总线， PentiumⅡ处理器可以同时使用这两条总线，与单一总线结构的处理器相比，该处理器可以进出两倍多的数据。
　　
　　5、PentiumⅢ L2 Cache进一步改进

　　PentiumⅢ也是基于Pentium Pro结构为核心，在原有MMX多媒体指令的基础上，又增了70多条多媒体指令。它使用动态执行技术，采用双独立总线结构。 PentiumⅢ具有32kB非锁定L1 Cache和512kB非锁定L2 Cache。L2可扩充到1～2MB，具有更合理的内存管理，可以有效地对大于L2缓存的数据块进行处理，使CPU、Cache和主存存取更趋合理，提高了系统整体性能。在执行大数据流量程序时，高效率的高速缓存管理使PⅢ避免了对L2 Cache的不必要的存取。由于消除了缓冲失败，多媒体和其它对时间敏感的操作性能更高了。对于可缓存的内容，PⅢ通过预先读取期望的数据到高速缓存里来提高速度，这一特色提高了高速缓存的命中率，减少了存取时间。
　　

三、CPU高速缓存的应用

　　关于CPU高速缓存的发展历史等相关情况，前面已经谈及。这里主要介绍一下目前主流CPU使用高速缓存的情况。
　　
　　象最新的Northwood P4处理器，不仅采用了0.13 微米工艺生产，其体系结构也有所改变，提高了运算效率（指令周期）。 并且将L2 CACHE的容量由老P4的256K 增加为512K。在性能上有10%左右的提升。
　　
　　Tualatin 赛扬的二级缓存采用了全速256KB（8路）， Pentium III同样大小的二级缓存，这对于提高CPU的性能有很大的帮助。Tualatin核心赛扬的性能非常不错，在很大程度上就是得益于256KB的全速缓存。这也充分反映出高速缓存对电脑配件性能的影响。
　　
　　AMD 的Morgan实际上和Palomino核心的毒龙规格相同，只是CPU内部L2 Cache有所不同。最引人注意的一点是改进了Cache算法。在Morgan中包含了一个硬件化的数据预读取规则。这个功能就是在CPU对数据进行了处理之后，预读取设备可以猜测哪些数据是CPU所需要的。如果这些数据并没有在Cache中，那么这个预读取设备就会自动到主内存中去重新获取这个数据；而如果这个数据已经存在于Cache之中的话，那么CPU就会更加快速地得到这个数据。
　　
　　Athlon XP无疑是AMD今年最成功的产品，它采用了类似于Pentium 4的硬件预读技术--执行跟踪高速缓存，预先将处理器可能需要的数据从主内存读到缓存中，这一过程能明显提高系统总线和内存带宽的利用率，进而提升系统性能。

　　主要用于服务器的Merced 对Cache的要求更高了。为此，lntel在芯片内开发新的Cache，并增加L1 Cache的容量，来平衡CPU和DRAM间的速度。为此，在Merced的片上最接近执行单元旁再设另一处Cache，称为L0缓存，是指令/数据分离型。由于L0Cache在物理位置上比L1离执行单元更近，布线距离的缩短，使它与执行单元间的数据交换速度比L1还快，可以进一步提高工作主频。 同时，还要在芯片内部配置超过1MB的大容量L1 Cache。芯片内部Cache比外部Cache更易于提升与执行单元间的数据传送速度。
　　
　　四、高速缓存的调整及应用
　　
　　1、BIOS中与高速缓存有关的选项
　　
　　1）CPU Internal Cache

　　CPU内部快速缓存是否打开，一般设置为Enable。Enternal Cache：是否使用主板缓存，一般设置为Enable。CPU L2 Cache Ecc Checking：CPU的L2 缓存Ecc 检测，可设置为Disable。

　　从字面上看，“CPU Internal Cache”和“External Cache”分别指CPU内部和外部的高速缓存，但更准确的说法应该是一级缓存和二级缓存。Socket/Super 7架构的CPU内部只有一级缓存，二级缓存放在了主板上，“Internal”和“External”的说法就源于此，而对PⅡ、PⅢ和K6-Ⅲ等CPU来说，二级缓存也被集成到CPU内部，内外部的说法就不太确切了，因此一些Slot 1主板对此进行了修改，改称为“CPU Level 1 Cache”和“CPU Level 2 Cache”。除非打开后系统会出现死机等情况，否则这两个选项都应设为Enabled，以加快CPU读取内存的速度。
　　
　　2）二级缓存的潜伏期

　　在BIOS中，我们还可以调节二级缓存的潜伏期，其中Level 2 Cache Latency（二级缓存潜伏期）有16个值可选（1~15），从理论上来说，数值越小延迟时间越短，性能也越高。如果把数值设得过小，二级缓存有可能停止工作，不仅系统性能会急速下跌，还会发生死机现象。L2 Cache对内存带宽有重大影响，即使CPU频率再高，其它设备跟不上亦是无用，增加缓存潜伏期可以让机器更稳定，避免上述情况。
　　
　　
　　总的来说，PC中的Cache主要是为了解决高速设备和低速设备间速度匹配的问题，是提高系统性能，降低系统成本而采用的一项技术。随着电脑技术的飞速发展， Cache已成为PC中大多数配件不可缺少的组成部分，是衡量系统性能优劣的一项重要指标。从系统的性价比考虑，Cache的配备将在很长一段时间内仍然是PC中重要的技术之一。

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