什么是l1，l2和l3缓存，它如何工作？

什么是CPU的高速缓存

我们首先要知道的是什么是缓存。正如我们已经说过的，在PC内有几种类型的内存，确切地说，高速缓存是所有内存中最快的。

储存量

首先，我们将拥有主存储 ，这无疑是硬盘驱动器 。在其中，所有信息都被永久存储，操作系统从中构成一台功能正常的PC。它是最慢的内存， 从HDD （机械硬盘） 上的约150MB / s到市场上最快的SSD令人印象深刻的3500MB / s 。

其次，我们将拥有随机存取存储器或RAM 。它是一个较小的固态存储器，它不能永久存储数据，并且充当硬盘和处理器之间的网关。它在DDR4中提供大于30, 000 MB / s的速度。内存也称为DRAM （动态RAM），因为它需要不断更新以避免丢失信息。

第三级，最快

最后，我们来到最上面的那个缓存。这是一个很小的内存，它安装在自己的微处理器内并且属于SRAM （静态RAM）类型。制造成本比普通RAM高得多，并且可以保存数据而无需不断更新。

安装在CPU内的事实使其最接近处理内核，这就是为什么它必须快速运转的原因。实际上，它的速度超过200 GB / s，延迟大约为10或11 ns （纳秒）。高速缓存存储器负责存储即将由CPU处理的指令，以便它可以尽快访问它们。

反过来，高速缓存存储器又分为几个级别 ，每个级别更快，更小，更接近处理器。 当前，处理器内部总共具有三级缓存 。在开始讨论之前，让我们快速看一下缓存的工作方式。

缓存如何工作

您可能不知道，但实际上计算机的所有外围设备和元素都具有自己的缓存 ，例如， 硬盘驱动器本身，打印机以及图形卡的GPU 。并且所有这些功能（包括CPU的功能）都是相同的。

众所周知，由于操作系统及其程序，计算机是“智能”的。这些程序中的每一个都是通过编程语言创建的，而编程语言又是一组指令，必须在CPU中按顺序执行 。我们之所以说是有条理的，是因为在这一点上建立不同级别的存储才有意义。

数据以固定的方式存储在硬盘驱动器中，但是由于它们是如此之慢并且离CPU太远，因此它们之前被加载到了内存RAM中，这是一个更快的存储方式，仅用于在运作中。

内存控制器开始发挥作用

但这还远远不够，因为当今的CPU是如此之快，并且能够在每个内核上每秒执行数百万个操作 ，因此缓存就进入了。 CPU内部有一个内存控制器 ，它基本上是以前称为北桥或北桥的东西，并且是安装在主板上的芯片。好了， 这个内存控制器现在位于CPU内部 ，负责从RAM内存中获取将要执行的指令，并返回处理周期的结果。

但是，还有两种总线负责将CPU与RAM存储器进行通信 ，它们称为数据总线和地址总线：

数据总线 ：它们基本上是数据和指令在其中流通的通道 。将有一条数据总线相互通信RAM，高速缓存和内核。 地址总线 ：这是一个独立的通道，CPU在其中请求数据所在的内存地址。 指令存储在具有地址的存储单元中，RAM，高速缓存和CPU都必须知道该指令才能找到有问题的数据。

L1，L2和L3缓存

到目前为止，我们已经大致了解了PC上存储的工作方式以及缓存的工作方式 。但是我们必须知道CPU内有一个缓存L1，L2和L3 ，如此小的东西适合这么多，这似乎令人难以置信吗？对于这三个级别的高速缓存，它们可以满足速度和容量的层次结构。

L1缓存

L1缓存是最快的配置，是最接近内核的配置 。这将存储将立即由CPU使用的数据，这就是为什么速度约为1150 GB / s且延迟仅为0.9 ns的原因。

该高速缓存存储器的总大小约为256 KB ，尽管它的大小取决于CPU的性能（和成本），但它的大小可能更大或更小，实际上，诸如Intel Core i9-7980 XE之类的工作站处理器具有一定的容量。总共1152 KB。

该L1缓存分为L1数据缓存和L1指令缓存两种 ，第一种负责存储要处理的数据，第二种负责存储有关要执行的操作的信息（加，减，乘，等）。

此外， 每个内核都有自己的L1缓存 ，因此，如果我们有6核处理器，我们将有6个L1缓存，分为L1 D和L1I。 在Intel处理器中，每个为32 KB，而在L1 I上的AMD处理器也是32 KB或64 KB。 当然，它们将一如既往地根据质量和功能而变化。

L2高速缓存

我们将找到的下一个将是L2或2级缓存 。它具有更多的存储容量，尽管会稍慢一些，大约为470 GB / s，延迟为2.8 ns 。存储大小通常在256 KB和18 MB之间变化。我们已经看到，对于我们处理的速度，它们具有相当大的能力。

指令和数据存储在其中，并且很快将由CPU使用，在这种情况下， 它不会分为指令和数据 。但是我们确实为每个内核都具有一个L2缓存 ，至少对于最相关的处理器来说就是这种情况。 对于每个内核，通常有 256、512或最大1024 KB 。

三级缓存

最后，我们将找到L3缓存 ，该缓存在处理器芯片上具有专用的空间。 这将是最大的，也是最慢的，我们正在谈论的是200 GB / s和11 ns的延迟 。

当前，一个有价值的处理器将至少具有4MB的三级缓存 ，并且可以看到高达64MB的驱动器。 L3通常分布在每个内核大约2MB上 ，但是我们只能说它不在每个内核内部，因此有一条数据总线可以与它们通信。 CPU的偿付能力和速度在很大程度上取决于此总线和RAM内存本身，而这正是Intel从AMD那里获得动力的地方。

如何知道我的处理器的缓存L1，L2和L3

知道这些信息最快的方法之一就是下载CPU-Z工具 ，该工具是完全免费的，它将为您提供有关CPU的非常完整的信息。甚至三个级别以及每个级别的存储量。您可以从其官方网站下载。

您也可以将品牌和型号放入浏览器，然后转到制造商的页面 ，尽管它们通常仅提供有关L3缓存的信息。当然，在我们对处理器的所有回顾中，我们都会提供有关每个CPU缓存的完整信息，并对性能进行基准测试。

延迟，总线宽度和缺少缓存

我们已经知道，数据通过所有内存级别从硬盘驱动器流向处理核心。 处理器首先在高速缓存中查找要处理的下一条指令的地方 ，质量系统应该知道如何根据数据的重要性正确定位数据，以最大程度地缩短对数据的访问时间， 这称为延迟 。

延迟就是从内存访问数据所花费的时间 。 CPU等待下一条指令的距离越远，越慢，等待时间越长且时间越长。因此， 当指令不在高速缓存存储器中时，处理器必须直接在RAM存储器中寻找指令 ，这称为高速缓存缺失或高速缓存未命中 ，这是在PC速度较慢的情况下。

总线宽度对于速度也非常重要，因为它标志着将较大的数据块从内存传输到CPU的能力 。 CPU和RAM均为64位，但是双通道功能能够将此容量加倍至128位，以便这些元素之间的传输具有更大的容量。

关于L1，L2和L3缓存的结论

我们经常关注内核的数量和处理器的速度，很明显，它在很大程度上决定了处理器的总速度。但是有时通常不考虑的元素是高速缓存 ，这对于拥有强大的处理器至关重要。

例如，拥有一个具有4或16 MB的L3缓存的6核CPU 对于衡量其性能 （特别是当我们有多个打开的程序时）将非常重要 。因此，从现在开始，当您决定购买处理器时，请仔细阅读本节，因为并非所有因素都取决于频率。

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我们希望所有这些信息对您有所帮助，以帮助您更多地了解处理器和缓存。如果您有任何疑问，可以在评论框中提问。在下一个教程中见！

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