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緩存單元的功能

發布時間: 2022-07-03 09:44:05

『壹』 緩存是什麼,有何功能

緩存是臨時文件交換區,計算機內最大的緩存就是內存。如果CPU直接讀取硬碟里的數據,那會很慢的,所以數據會被預先從硬碟讀取到緩存中,再由CPU讀取,這樣就能加快讀取速度了。反之你點保存時,是將緩存中處理過的數據移到硬碟中

『貳』 電腦中的二級緩存有什麼用它跟電腦內存的功能各是什麼對電腦的性能有什麼影響

更大的二級緩存以及前端匯流排帶寬使得電腦具備了更好的游戲性能。
在游戲中,L2使得一些圖形晶元處理國家流暢,尤其是3D浮點運算能力的增加,最好的例子就是DOOM3的彈道預測!

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說到CPU,不得不說的就是CPU緩存,目前CPU的緩存已經成了衡量CPU性能的一個必要指標,那麼CPU緩存到底對CPU性能的影響有多大呢?

我們知道,CPU執行指令時,會將執行結果放在一個叫「寄存器」的元件中,由於「寄存器」集成在CPU內部,與ALU等構成CPU的重要元件,因此寄存器中的指令很快被CPU所訪問,但畢竟寄存器的容量太小,CPU所需的大量指令和數據還在內存(RAM)當中,所以CPU為了完成指令操作,需要頻繁地向內存發送接收指令、數據。

由於內存的處理速度遠遠低於CPU,所以傳統的系統瓶頸在這里就產生了,CPU在處理指令時往往花費很多時間在等待內存做准備工作。

為了解決這個問題,人們在CPU內集成了一個比內存快許多的「Cache」,這就是最早的「高速緩存」。

L1高速緩存是與CPU完全同步運行的存儲器,也就是我們常說的一級緩存,如果CPU需要的數據和指令已經在高速緩存中了,那麼CPU不必等待,直接就可以從一級緩存(L1)中取得數據,如果數據不在L1中,CPU再從二級緩存(L2)中提取數據,大大提高了系統的工作效率。

趣談CPU緩存工作原理

沒有CPU緩存前

我們可以形象地把CPU的運算單元想像成是一間坐落在城市中心的工廠,把內存看成是工廠設置在郊區的一間面積很大的倉庫A。

工廠生產所需要的原材料每次都要花時間去遠處的倉庫A調運,而且到達倉庫後,還要等待倉庫准備好材料,中間浪費了不少時間。這就是CPU頻率未變的情況下,CPU與內存的數據交換不同步的現象。

而突然有一天,由於資金短缺,倉庫A從近郊區「搬到」了遠郊區,這樣原料和成品在工廠與倉庫A之間的運輸所花費的時間就更長了,工廠生產所需的原料供應不足,經常處於空運轉的狀態下。這就是說當CPU頻率增加後,CPU與內存交換數據等待需時間會變得更長。

增加L1Cache

要解決CPU與內存交換數據不同步這個系統瓶頸問題,其中一個辦法是在靠近工廠的市區設置一個小型的倉庫B(L1Cache)。

平時把生產最迫切需要、用得最多的原材料(指令和數據)從倉庫A(內存)調配到倉庫B(L1Cache),這樣工廠生產所需要的原材料就可以很快地調配過來,減少空運轉的時間。當所需的原材料在倉庫B中找不到(緩存未命中)時,仍然要到倉庫A(內存)里調配,雖然無可避免地使工廠又進入空運轉,或部分空運轉(CPU等待若干個時鍾周期),但這樣畢竟使等待時間大大降低了。

小知識:緩存有一個「預讀」功能,也就是可以通過一定的演算法,猜測接下來所要的數據,並預先取入緩存。

再添L2Cache

隨著CPU的頻率提高,與內存之間交換數據不同步的現象更明顯了,可以理解為倉庫A(內存)搬離郊區,遷到更遠的地方了。解決這一問題的一個更好的辦法就是在城市的邊緣再設立一個比倉庫B大的倉庫C,也就是我們說的二級緩存。

它的作用是把郊區之外的倉庫A(內存)中最迫切用的材料(指令)運到倉庫C,而工廠如果在倉庫B中找不到所需的材料,就可以到倉庫C中找,而不必老遠跑到倉庫A那裡找,節省了不少時間。

通常情況下,L2包括L1所有的數據,另外還有一些附加的數據。換言之,L1與L2、L2與內存之間是子母關系,所以CPU緩存的出現更有效地解決了CPU空等待所造成的資源浪費問題。

CPU緩存越大越好?

當然,CPU緩存並不是越大越好,因為緩存採用的是速度快、價格昂貴的靜態RAM(SRAM),由於每個SRAM內存單元都是由4~6個晶體管構成,增加緩存會帶來CPU集成晶體管個數大增,發熱量也隨之增大,給設計製造帶來很大的難度。所以就算緩存容量做得很大,但如果設計不合理會造成緩存的延時,CPU的性能也未必得到提高

CPU緩存(Cache Memory)位於CPU與內存之間的臨時存儲器,它的容量比內存小但交換速度快。在緩存中的數據是內存中的一小部分,但這一小部分是短時間內CPU即將訪問的,當CPU調用大量數據時,就可避開內存直接從緩存中調用,從而加快讀取速度。由此可見,在CPU中加入緩存是一種高效的解決方案,這樣整個內存儲器(緩存+內存)就變成了既有緩存的高速度,又有內存的大容量的存儲系統了。緩存對CPU的性能影響很大,主要是因為CPU的數據交換順序和CPU與緩存間的帶寬引起的。

緩存的工作原理是當CPU要讀取一個數據時,首先從緩存中查找,如果找到就立即讀取並送給CPU處理;如果沒有找到,就用相對慢的速度從內存中讀取並送給CPU處理,同時把這個數據所在的數據塊調入緩存中,可以使得以後對整塊數據的讀取都從緩存中進行,不必再調用內存。

正是這樣的讀取機制使CPU讀取緩存的命中率非常高(大多數CPU可達90%左右),也就是說CPU下一次要讀取的數據90%都在緩存中,只有大約10%需要從內存讀取。這大大節省了CPU直接讀取內存的時間,也使CPU讀取數據時基本無需等待。總的來說,CPU讀取數據的順序是先緩存後內存。

最早先的CPU緩存是個整體的,而且容量很低,英特爾公司從Pentium時代開始把緩存進行了分類。當時集成在CPU內核中的緩存已不足以滿足CPU的需求,而製造工藝上的限制又不能大幅度提高緩存的容量。因此出現了集成在與CPU同一塊電路板上或主板上的緩存,此時就把 CPU內核集成的緩存稱為一級緩存,而外部的稱為二級緩存。一級緩存中還分數據緩存(Data Cache,D-Cache)和指令緩存(Instruction Cache,I-Cache)。二者分別用來存放數據和執行這些數據的指令,而且兩者可以同時被CPU訪問,減少了爭用Cache所造成的沖突,提高了處理器效能。英特爾公司在推出Pentium 4處理器時,用新增的一種一級追蹤緩存替代指令緩存,容量為12KμOps,表示能存儲12K條微指令。

隨著CPU製造工藝的發展,二級緩存也能輕易的集成在CPU內核中,容量也在逐年提升。現在再用集成在CPU內部與否來定義一、二級緩存,已不確切。而且隨著二級緩存被集成入CPU內核中,以往二級緩存與CPU大差距分頻的情況也被改變,此時其以相同於主頻的速度工作,可以為CPU提供更高的傳輸速度。

二級緩存是CPU性能表現的關鍵之一,在CPU核心不變化的情況下,增加二級緩存容量能使性能大幅度提高。而同一核心的CPU高低端之分往往也是在二級緩存上有差異,由此可見二級緩存對於CPU的重要性。

CPU在緩存中找到有用的數據被稱為命中,當緩存中沒有CPU所需的數據時(這時稱為未命中),CPU才訪問內存。從理論上講,在一顆擁有二級緩存的CPU中,讀取一級緩存的命中率為80%。也就是說CPU一級緩存中找到的有用數據占數據總量的80%,剩下的20%從二級緩存中讀取。由於不能准確預測將要執行的數據,讀取二級緩存的命中率也在80%左右(從二級緩存讀到有用的數據占總數據的16%)。那麼還有的數據就不得不從內存調用,但這已經是一個相當小的比例了。目前的較高端的CPU中,還會帶有三級緩存,它是為讀取二級緩存後未命中的數據設計的—種緩存,在擁有三級緩存的CPU中,只有約5%的數據需要從內存中調用,這進一步提高了CPU的效率。

為了保證CPU訪問時有較高的命中率,緩存中的內容應該按一定的演算法替換。一種較常用的演算法是「最近最少使用演算法」(LRU演算法),它是將最近一段時間內最少被訪問過的行淘汰出局。因此需要為每行設置一個計數器,LRU演算法是把命中行的計數器清零,其他各行計數器加1。當需要替換時淘汰行計數器計數值最大的數據行出局。這是一種高效、科學的演算法,其計數器清零過程可以把一些頻繁調用後再不需要的數據淘汰出緩存,提高緩存的利用率。

CPU產品中,一級緩存的容量基本在4KB到64KB之間,二級緩存的容量則分為128KB、256KB、512KB、1MB、2MB等。一級緩存容量各產品之間相差不大,而二級緩存容量則是提高CPU性能的關鍵。二級緩存容量的提升是由CPU製造工藝所決定的,容量增大必然導致CPU內部晶體管數的增加,要在有限的CPU面積上集成更大的緩存,對製造工藝的要求也就越高

『叄』 解釋緩存的定義和功能

請問你說的是系統緩存嗎??在電腦系統中,硬體運行速度的快慢基本由緩存決定,緩存的容量越大,相
應的硬體運行速度也就越快。緩存的應用幾乎遍及所有的硬體,比如CPU、硬
盤、刻錄機等,甚至是軟體也有緩存。什麼是緩存?簡單來說緩存就是數據交
換的緩沖區(稱作Cache),當某一硬體要讀取數據時,會首先從緩存中查找需
要的數據,如果找到了則直接執行,找不到的話則從內存中找。由於緩存的
運行速度比內存快得多,故緩存的作用就是幫助硬體更快地運行

『肆』 緩存的功能二級緩存和三級緩存

緩存,英文稱Cache,當CPU從內存中提取信息時,就會將一部分常用的先擺在緩存里,下次尋找的時候就會先在緩存里找,否則找卜到就再在內存里找,因為緩存加快了CPU的找尋時間,所以緩存越大,速度越快

『伍』 緩存的功能

緩存是指可以進行高速數據交換的存儲器,它先於內存與CPU交換數據,因此速度很快。L1 Cache(一級緩存)是CPU第一層高速緩存。內置的L1高速緩存的容量和結構對CPU的性能影響較大,不過高速緩沖存儲器均由靜態RAM組成,結構較復雜,在CPU管芯面積不能太大的情況下,L1級高速緩存的容量不可能做得太大。一般L1緩存的容量通常在32—256KB。L2 Cache(二級緩存)是CPU的第二層高速緩存,分內部和外部兩種晶元。內部的晶元二級緩存運行速度與主頻相同,而外部的二級緩存則只有主頻的一半。L2高速緩存容量也會影響CPU的性能,原則是越大越好,現在家庭用CPUL2高速緩存最大的是512KB,而伺服器和工作站上用CPU的L2高速緩存更高達1MB-3MB。

『陸』 計算機的存儲器,寄存器和緩存的作用及聯系

高速緩沖存儲器是一種特殊的,存儲單元以及由Cache緩存控制部件。用相同類型的CPU高速緩存存儲單元中通常使用的半導體存儲裝置中,存儲器訪問時間,甚至比10倍的速度。高速緩沖存儲器控制器組件包括主存儲器地址寄存器,高速緩存地址的寄存器,主存儲器-cache地址轉換單元和更換控制部件。由於每個以及它們如何工作,什麼樣的作用,所以,我覺得我們沒有必要做進一步的研究,知道一般的緩存分為一級緩存(其中又分為數據緩存,代碼緩存),二級緩存就行了

『柒』 固態硬碟的緩存有什麼作用

預先把要處理的數據寫入到緩存裡面,從而提高硬碟的效率

從反應速度這一方面來說,固態硬碟的反應速度一般都在0.2毫秒以內,不比緩存慢。所以固態硬碟帶緩存對讀取速度的提升,幾乎可以忽略。

把數據從內存寫入硬碟,由於硬碟較緩慢,需要等待較長的時間才能完成此任務。為了解決硬碟速度過慢的問題,就在其內部安置了一個小容量的內存,也就是硬碟的緩存,數據首先寫入到緩存里。

那麼在操作系統層面,就會認為數據已經寫入了,用戶的感覺就是快速。隨後硬碟自己再從緩存寫入到碟片,這個過程無需用戶干預了。

(7)緩存單元的功能擴展閱讀:

帶不帶緩存並不影響固態硬碟的壽命,決定固態硬碟壽命的是NAND FLASH的寫入次數。其次,主控晶元的好壞也是決定固態硬碟性能和使用壽命的重要因素。

緩存的主要功能在於是電腦有資料放到機械硬碟時,因為機械硬碟機械式運作比電腦慢很多,所以在機械硬碟上放上緩存,暫時存儲資料以便電腦能夠繼續做其他事情,不會因為機械硬碟的動作慢,而拖慢了電腦的效能。
而固態硬碟的速度大幅提升,已經能夠實時處理數據,緩存作為提升速度的作用就不大了。

參考資料來源:網路-高速緩沖存儲器

『捌』 cache作用

Cache作用具體如下:

1、Cache可以大大提高CPU訪問主存的速度,中央處理器絕大多數存取主存儲器的操作能為存取高速緩沖存儲器所代替,能極大緩和中央處理器和主存儲器之間速度不匹配的矛盾。

在計算機技術發展過程中,主存儲器存取速度一直比中央處理器操作速度慢得多,使中央處理器的高速處理能力不能充分發揮,整個計算機系統的工作效率受到影響。在存儲層次上採用高速緩沖存儲器來緩和中央處理器和主存儲器之間速度不匹配的矛盾也是常用的方法之一。很多大、中型計算機以及新近的一些小型機、微型機也都採用高速緩沖存儲器。

2、Cache可以顯著提高計算機系統處理速度。

高速緩沖存儲器的容量一般只有主存儲器的幾百分之一,但它的存取速度能與中央處理器相匹配。根據程序局部性原理,正在使用的主存儲器某一單元鄰近的那些單元將被用到的可能性很大。因而,當中央處理器存取主存儲器某一單元時,計算機硬體就自動地將包括該單元在內的那一組單元內容調入高速緩沖存儲器,中央處理器即將存取的主存儲器單元很可能就在剛剛調入到高速緩沖存儲器的那一組單元內。於是,中央處理器就可以直接對高速緩沖存儲器進行存取。在整個處理過程中,如果中央處理器絕大多數存取主存儲器的操作能為存取高速緩沖存儲器所代替,計算機系統處理速度就能顯著提高。

拓展資料:

cache定義如下:

cache名為高速緩沖存儲器。其是指存取速度比一般隨機存取記憶體(RAM)來得快的一種RAM,一般而言它不像系統主記憶體那樣使用DRAM技術,而使用昂貴但較快速的SRAM技術,也有快取記憶體的名稱。cache是存在於主存與CPU之間的一級存儲器,由靜態存儲晶元(SRAM)組成,容量比較小但速度比主存高得多, 接近於CPU的速度。

Cache原理具體如下:

任何程序或數據要為CPU所使用,必須先放到主存儲器(內存)中,即CPU只與主存交換數據,所以主存的速度在很大程度上決定了系統的運行速度。程序在運行期間,在一個較短的時間間隔內,由程序產生的地址往往集中在存儲器的一個很小范圍的地址空間內。

指令地址本來就是連續分布的,再加上循環程序段和子程序段要多次重復執行,因此對這些地址中的內容的訪問就自然的具有時間集中分布的傾向。數據分布的集中傾向不如程序這么明顯,但對數組的存儲和訪問以及工作單元的選擇可以使存儲器地址相對地集中。這種對局部范圍的存儲器地址頻繁訪問,而對此范圍外的地址訪問甚少的現象被稱為程序訪問的局部化性質。

如果把在一段時間內一定地址范圍被頻繁訪問的信息集合成批地從主的系統中,CPU訪問數據時,在Cache中能直接找到的概率,它是Cache的一個重要指標,與Cache的大小、替換演算法、程序特性等因素有關。

增加Cache後,CPU訪問主存的速度是可以預算的,64KB的Cache可以緩沖4MB的主存,且命中率都在90%以上。以主頻為100MHz的CPU(時鍾周期約為10ns)、20ns的Cache、70ns的RAM、命中率為90%計算,CPU訪問主存的周期為:有Cache時,20×0.9+70×0.1=34ns;無Cache時,70×1=70ns。

CPU訪問主存的速度大大提高了,但是加Cache只是加快了CPU訪問主存的速度,而CPU訪問主存只是計算機整個操作的一部分,所以增加Cache對系統整體速度只能提高10~20%左右。

『玖』 什麼是Cache作用是什麼

Cache指的是緩存。

高速緩存(英語:cache,/kæʃ/kash[2][3][4])簡稱緩存,原始意義是指訪問速度比一般隨機存取存儲器(RAM)快的一種RAM,通常它不像系統主存那樣使用DRAM技術,而使用昂貴但較快速的SRAM技術。

提供「緩存」的目的是為了讓數據訪問的速度適應CPU的處理速度,其基於的原理是內存中「程序執行與數據訪問的局域性行為」,即一定程序執行時間和空間內,被訪問的代碼集中於一部分。

為了充分發揮緩存的作用,不僅依靠「暫存剛剛訪問過的數據」,還要使用硬體實現的指令預測與數據預取技術——盡可能把將要使用的數據預先從內存中取到緩存里。

(9)緩存單元的功能擴展閱讀

緩存的特點

緩存是指可以進行高速數據交換的存儲器,它先於內存與CPU交換數據,因此速率很快。L1Cache(一級緩存)是CPU第一層高速緩存。

內置的L1高速緩存的容量和結構對CPU的性能影響較大,不過高速緩沖存儲器均由靜態RAM組成,結構較復雜,在CPU管芯面積不能太大的情況下,L1級高速緩存的容量不可能做得太大。一般L1緩存的容量通常在32—256KB。

L2Cache(二級緩存)是CPU的第二層高速緩存,分內部和外部兩種晶元。內部的晶元二級緩存運行速率與主頻相同,而外部的二級緩存則只有主頻的一半。

L2高速緩存容量也會影響CPU的性能,原則是越大越好,普通台式機CPU的L2緩存一般為128KB到2MB或者更高,筆記本、伺服器和工作站上用CPU的L2高速緩存最高可達1MB-3MB。

緩存只是內存中少部分數據的復製品,所以CPU到緩存中尋找數據時,也會出現找不到的情況(因為這些數據沒有從內存復制到緩存中去),這時CPU還是會到內存中去找數據,這樣系統的速率就慢下來了,不過CPU會把這些數據復制到緩存中去,以便下一次不要再到內存中去取。

隨著時間的變化,被訪問得最頻繁的數據不是一成不變的,也就是說,剛才還不頻繁的數據,此時已經需要被頻繁的訪問,剛才還是最頻繁的數據,又不頻繁了,所以說緩存中的數據要經常按照一定的演算法來更換,這樣才能保證緩存中的數據是被訪問最頻繁的。

『拾』 緩存的功能作用

硬碟的緩存主要起三種作用: 有時候,某些數據是會經常需要訪問的,像硬碟內部的緩存(暫存器的一種)會將讀取比較頻繁的一些數據存儲在緩存中,再次讀取時就可以直接從緩存中直接傳輸。緩存就像是一台計算機的內存一樣,在硬碟讀寫數據時,負責數據的存儲、寄放等功能。這樣一來,不僅可以大大減少數據讀寫的時間以提高硬碟的使用效率。同時利用緩存還可以讓硬碟減少頻繁的讀寫,讓硬碟更加安靜,更加省電。更大的硬碟緩存,你將讀取游戲時更快,拷貝文件時候更快,在系統啟動中更為領先。
緩存容量的大小不同品牌、不同型號的產品各不相同,早期的硬碟緩存基本都很小,只有幾百KB,已無法滿足用戶的需求。16MB和32MB緩存是現今主流硬碟所採用,而在伺服器或特殊應用領域中還有緩存容量更大的產品,甚至達到了64MB、128MB等。大容量的緩存雖然可以在硬碟進行讀寫工作狀態下,讓更多的數據存儲在緩存中,以提高硬碟的訪問速率,但並不意味著緩存越大就越出眾。緩存的應用存在一個演算法的問題,即便緩存容量很大,而沒有一個高效率的演算法,那將導致應用中緩存數據的命中率偏低,無法有效發揮出大容量緩存的優勢。演算法是和緩存容量相輔相成,大容量的緩存需要更為有效率的演算法,否則性能會大大折扣,從技術角度上說,高容量緩存的演算法是直接影響到硬碟性能發揮的重要因素。更大容量緩存是未來硬碟發展的必然趨勢。