L1，L2和L3缓存在计算机中的确切位置？

L1，L2和L3缓存在计算机中的确切位置？

我知道，我们使用缓存来提高性能，方法是从缓存而不是主内存中选择数据和指令。

以下是我的问题

1. L1缓存到底位于何处？。是在CPU芯片上吗？

2. L2高速缓存到底位于何处？

3. L3缓存到底位于何处？在主板上？

我认为最新的SMP处理器使用3级缓存，因此我想了解缓存级层次结构及其体系结构。

让我们以此开始：

我认为最新的SMP处理器使用3级缓存，因此我想了解缓存级层次结构及其体系结构。

要了解缓存，您需要了解以下几点：

CPU具有寄存器。其中的值可以直接使用。没有比这更快的了。

但是，我们不能将无限寄存器添加到芯片上。这些东西占用空间。如果我们将芯片做大，它将变得更加昂贵。部分原因是因为我们需要更大的芯片（更多的硅），还因为有问题的芯片数量增加了。

（图像的500厘米的假想晶片²。我切10个芯片从它，每个芯片50厘米²的尺寸，其中之一被破坏。我丢弃它，我离开它9个工作芯片。现在来在相同的晶片和我切从中取出100个芯片，每个芯片的大小是其的十倍。如果其中一个已损坏，我将其丢弃，剩下99个工作芯片。这是我原本会损失的一小部分。芯片，我需要问更高的价格。不只是多余硅的价格）

这就是我们想要小巧，价格合理的芯片的原因之一。

但是，缓存离CPU越近，可以访问得越快。

这也很容易解释；电信号以光速传播。那是很快的，但仍然是有限的速度。现代CPU使用GHz时钟。那也很快。如果我使用4 GHz CPU，则每个时钟周期的电信号传播大约7.5厘米。直线是7.5厘米。（芯片不是直线连接）。实际上，您将需要远远小于7.5厘米的距离，因为这将使芯片没有时间显示请求的数据和信号回传。

最重要的是，我们希望缓存在物理上尽可能接近。这意味着大筹码。

这两个需要保持平衡（性能与成本）。

L1，L2和L3缓存在计算机中的确切位置在哪里？

假设只有PC风格的硬件（大型机在性能和成本平衡方面都大不相同）；

IBM XT
原始的4.77Mhz之一：无高速缓存。CPU直接访问内存。从内存读取将遵循以下模式：

• CPU将要读取的地址放在内存总线上，并声明读取标志
• 内存将数据放在数据总线上。
• CPU将数据从数据总线复制到其内部寄存器。

80286 （1982）
仍然没有缓存。对于较低速度的版本（6Mhz），内存访问不是一个大问题，但是较快的模型运行速度可达20Mhz，并且在访问内存时通常需要延迟。

然后，您将获得如下场景：

• CPU将要读取的地址放在内存总线上，并声明读取标志
• 内存开始将数据放到数据总线上。CPU等待。
• 内存已完成获取数据，现在它在数据总线上稳定。
• CPU将数据从数据总线复制到其内部寄存器。

那是等待内存的额外步骤。在一个可以轻松实现12步的现代系统上，这就是为什么要使用cache的原因。

80386：（1985）
CPU变得更快。每个时钟，以及以更高的时钟速度运行。
RAM变得更快，但没有CPU快。
结果，需要更多的等待状态。有些主板解决此通过增加高速缓存（这将是1 ^日二级缓存），主板上。

现在，从内存中读取数据时将检查数据是否已在缓存中。如果它是从快得多的缓存中读取的。如果与80286描述的步骤不同

80486（1989）：
这是第一代具有一定缓存的CPU。
这是一个8KB的统一缓存，这意味着它用于数据和指令。

大约在这个时候，通常在主板上放置256KB的快速静态内存作为^第二级缓存。因此1 ^日在CPU上级高速缓存，2 ^次在主板上级缓存。

80586 （1993）
586或Pentium-1使用1级拆分缓存。每个8 KB用于数据和指令。缓存被拆分，因此可以针对其特定用途分别调整数据和指令缓存。你还有一个小但速度非常快1 ^日在CPU附近的高速缓存，以及更大，但速度慢2 ^次在主板上的高速缓存。（在更大的物理距离处）。

英特尔在同一奔腾1区域生产了奔腾Pro（'80686'）。根据型号的不同，该芯片具有256Kb，512KB或1MB的板载高速缓存。它也更昂贵，可以通过下图轻松解释。

注意，缓存中使用了芯片一半的空间。这是针对256KB模型的。从技术上讲，更多的缓存是可能的，并且某些型号具有512KB和1MB的缓存。这些产品的市场价格很高。

另请注意，该芯片包含两个管芯。一个带有实际的CPU和^第一个高速缓存，另一个带有256KB的^第二个高速缓存。

奔腾2

pentium 2是pentium pro核心。出于经济原因，CPU中没有^第二个高速缓存。取而代之的是在CPU上出售的产品，我们有一块PCB板，其中有用于CPU（和^第一个高速缓存）和^第二个高速缓存的单独芯片。

随着技术的进步，我们开始制作具有更小组件的芯片，从而有可能在财务^{上将第二个}缓存放回实际的CPU芯片中。但是仍然存在分歧。^第一个高速缓存非常快地依to到CPU。每个CPU内核有一个^1st高速缓存，而在内核旁边有一个较大但速度^较慢的2nd高速缓存。

奔腾3
奔腾4
奔腾3或奔腾4不会改变。

在这段时间左右，我们已经达到了可以为CPU计时的实际速度的极限。8086或80286不需要冷却。运行在3.0GHz频率的pentium-4会产生大量热量并消耗大量功率，因此在主板上放置两个独立的CPU而不是一个快速的CPU变得更加实用。

（两个2.0 GHz CPU将比单个相同的3.0 GHz CPU消耗更少的功率，但是可以做更多的工作）。

这可以通过三种方式解决：

1. 提高CPU的效率，使其以相同的速度完成更多工作。
2. 使用多个CPU
3. 在同一“芯片”中使用多个CPU。

1）是一个持续的过程。它不是新的，并且不会停止。

2）尽早完成（例如，使用双Pentium-1主板和NX芯片组）。到目前为止，这是构建更快的PC的唯一选择。

3）需要在单个芯片中内置多个“ cpu核心”的CPU。（然后我们将该CPU称为双核CPU，以增加混乱。感谢您的营销:)）

如今，我们只是将CPU称为“核心”以避免混淆。

现在，您将获得诸如pentium-D（duo）之类的芯片，它基本上是同一芯片上的两个pentium-4内核。

还记得旧的奔腾Pro的图片吗？拥有巨大的缓存大小？
看到这张照片中的两个大区域？

事实证明，我们可以在两个CPU内核之间共享^第二个缓存。速度会有所回落，但512KiB共享2 ^次缓存往往快于增加了两个独立的2 ^级一级高速缓存的一半大小。

这对您的问题很重要。

这意味着，如果您从一个CPU内核读取内容，然后再尝试从共享相同缓存的另一内核读取内容，则会遇到缓存命中的情况。不需要访问内存。

由于程序确实会在CPU之间迁移，因此取决于负载，内核数和调度程序，您可以通过将使用相同数据的程序固定到同一CPU（L1及更低版本上的高速缓存命中）或相同CPU上的程序来获得更高的性能。共享L2缓存（因此会丢失L1，但会命中L2缓存读取）。

因此，在以后的模型中，您将看到共享的2级缓存。

如果要为现代CPU编程，则有两个选择：

1. 不打扰。操作系统应该能够安排事情。调度程序对计算机的性能有很大的影响，人们已经花费了很多精力来优化它。除非您做一些奇怪的事情或针对一种特定型号的PC进行优化，否则最好使用默认调度程序。
2. 如果您需要性能的最后一点，并且不能选择更快的硬件，则请尝试使访问同一数据块或可访问共享缓存的数据块上的相同数据的脚步离开。

我意识到我还没有提到L3缓存，但是它们没有什么不同。L3缓存的工作方式相同。比L2大，但比L2慢。它通常在内核之间共享。如果存在，则它比L2缓存大得多（否则就没有意义了），并且通常与所有内核共享。

缓存是处理器的内部。有些是在内核之间共享的，有些是单独的，取决于实现。但是它们全部都位于芯片上。一些详细信息：英特尔®酷睿™i7处理器，在这里获取：

• 每个内核32KB指令和32KB数据一级缓存（L1）
• 每个内核256 KB共享指令/数据二级缓存（L2）
• 8 MB共享指令/数据最后一级缓存（L3），在所有内核之间共享

处理器芯片的照片（对不起，不知道确切的型号）。您可以看到缓存占用了大量芯片空间：

高速缓存几乎总是在芯片上，以实现最快的访问。这是一个不错的图，显示了四核Intel CPU芯片，其中突出显示了L3缓存。当您查看此类CPU裸片的图片时，通常大的统一区域通常是用作高速缓存的片上内存库。

这些天，缓存全部都放在CPU上了。它们曾经有时位于主板或CPU子板上，但我认为当前没有使用片外缓存的处理器。

我不确定L3，但是L1 / L2始终位于CPU上。从层次上讲，基本上，L1通常是指令缓存，L2和L3是数据缓存。

L1位于CPU芯片上，L2位于处理器和主内存之间，但是有一点要知道，在某些系统中，L2位于CPU芯片上，而在某些其他系统中，L2位于主板上，而L3始终在位于主板芯片上。