解讀CPU快取,它們如何工作的？

導讀	究竟什麼是 CPU 快取？為什麼有 L1、L2 和 L3 快取？以下是您需要了解的內容以及它們的工作原理。

近年來，計算機中央處理器已經取得了相當大的進步，電晶體每年都在變小，效能也變得更加強大。每當提到處理器的效能時，人們往往會想到電晶體和頻率。實際上，除了更多的電晶體數量和更高的頻率之外，快取也非常重要。

對於大部分人來講，他們大都聽說過快取。但是，並沒有對 CPU 快取的容量給予足夠的關注。那麼，CPU 快取到底有多重要，它是如何工作的？

簡而言之，CPU 快取只是一種非常快速的記憶體型別。在計算的早期，處理器速度和記憶體速度都很低。然而，在 1980 年代，處理器速度開始迅速提高。當時的系統記憶體（RAM）無法應對或匹配不斷增加的CPU速度，因此一種新型的超快記憶體誕生了：CPU快取。

現在，您的計算機內部有多種型別的記憶體，例如有主儲存（如硬碟或 SSD）儲存大部分資料，即作業系統和程式。

還有“隨機存取儲存器”， 俗稱記憶體，它比主儲存快得多，但只是一個短期儲存介質，它讓計算機及其程式使用 RAM 來儲存經常訪問的資料，從而幫助保持計算機上的操作良好而快速。

最後，CPU 內部還具有更快的記憶體單元，稱為 CPU 快取。

計算機記憶體具有基於其執行速度的層次結構。CPU 快取位於此層次結構的頂部，是最快的。它也是最接近中央處理的地方，是CPU本身的一部分。從技術上來看，快取記憶體的執行速度比 RAM 快 10 到 100 倍，只需要幾納秒即可響應 CPU 請求。

計算機記憶體也有不同的型別，其中快取記憶體是靜態RAM（SRAM）的一種形式，而常規系統RAM稱為動態RAM（DRAM）。靜態RAM可以儲存資料而無需不斷重新整理，這與DRAM不同，這使得SRAM成為快取的理想選擇。

計算機上的應用程式被設計為 CPU 解釋和執行的一組指令。當您執行程式時，指令會從主儲存（硬碟驅動器）傳輸到 CPU，這就是記憶體層次結構發揮作用的地方。

資料首先載入到 RAM 中，然後傳送到 CPU。CPU每秒能夠執行大量指令。為了充分利用其功能，CPU 需要訪問超快記憶體，這就是 CPU 快取的用武之地。

記憶體控制器從 RAM 獲取資料並將其傳送到 CPU 快取，然後記憶體快取在 CPU 內來回執行資料。當然，記憶體層次結構也存在於 CPU 快取中。

CPU 快取記憶體分為三個“級別”：L1、L2 和 L3，記憶體層次結構則根據速度以及快取大小進行排列。

L1（級別 1）快取是計算機系統中存在的最快記憶體。就訪問優先順序而言，一級快取具有 CPU 在完成特定任務時最有可能需要的資料。

一級快取的大小取決於 CPU。一些高階消費類CPU現在具有1MB的L1快取，如Intel i9-9980XE，但這些要花費大量資金，而且仍然很少。一些伺服器晶片組，如英特爾的Xeon系列，還具有1-2MB的L1記憶體快取。

由於一級快取的大小沒有“標準”，因此您必須在購買前仔細檢視 CPU 規格以確定確切的一級記憶體快取大小。

英特爾 CPU L1 資料快取圖

一級快取通常分為兩部分：指令快取和資料快取。指令快取記憶體處理有關 CPU 必須執行的操作的資訊，而資料快取記憶體儲存要對其執行操作的資料。

L2（級別 2）快取比 L1 快取慢，但容量更大。L1 快取可能以 KB 為單位，而 L2 記憶體快取以兆位元組為單位。例如，AMD Ryzen 5 5600X具有384KB的L1快取和3MB的L2快取（加上32MB的L3快取）。

二級快取大小因 CPU 而異，但其大小通常在 256KB 到 32MB 之間。大多數 CPU 將包含超過 256KB 的二級快取，這在現階段是最小的。此外，一些最強大的 CPU 具有更大的二級記憶體快取，遠遠超過 8MB。

在速度方面，二級快取落後於一級快取，但仍然比您的系統 RAM 快得多。一級記憶體快取通常比 RAM 快 100 倍，而二級快取大約快 25 倍。

早期，L3記憶體快取實際上是在主機板上找到的。現在，CPU 中的 L3 快取可能非常龐大，高階消費類 CPU 具有高達 32MB 的 L3 快取，某些伺服器 CPU L3 快取可能會超過此值，最高可達 128MB。

L3 快取是最大但也是最慢的快取單元。 但是，雖然晶片本身的每個核心都存在L1和L2快取，但L3快取更類似於整個晶片都可以利用的通用記憶體池。

快取越多、容量越大，則會越好，價格也會越高。新一代的CPU自然會比老一代包含更多的CPU快取，並且快取也可能更快。

因此，我們可以根據自己的實際應用場景需求，在購買產品之前仔細檢視產品的規則，以此來保證買到自己想要的產品。

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