CPU的緩存及拓撲結(jié)構(gòu)的查看 詳解

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發(fā)表于：2023-05-11來源：不詳：領(lǐng)測軟件測試網(wǎng)采編點擊數(shù)：標簽：

CPU的緩存及拓撲結(jié)構(gòu)的查看詳解軟件測試今天忽然對CPU的Cache感興趣了，稍微了解了一下，做一下知識筆記吧。包括CPU的各級Cache以及CPU的拓撲結(jié)構(gòu)。cpu的處理數(shù)據(jù)的速度是非常非?？斓?，但是，數(shù)據(jù)需要從硬盤中讀取出才能傳遞到CPU處理，然而硬盤的讀寫

CPU的緩存及拓撲結(jié)構(gòu)的查看詳解軟件測試

今天忽然對CPU的Cache感興趣了，稍微了解了一下，做一下知識筆記吧。

包括CPU的各級Cache以及CPU的拓撲結(jié)構(gòu)。

cpu的處理數(shù)據(jù)的速度是非常非?？斓?，但是，數(shù)據(jù)需要從硬盤中讀取出才能傳遞到CPU處理，然而硬盤的讀寫速度跟CPU的處理初速比，差的實在是成千上萬倍。

所以加入了內(nèi)存這個配件，他的目的就是將暫時需要用到的程序數(shù)據(jù)等，暫時存儲在內(nèi)存中。由于內(nèi)存的讀寫速度遠遠大于硬盤，所以這個效率得到了非常大的提升。

但是，CPU的處理速度依然遠遠大于內(nèi)存，CPU依然需要等待大量的時間從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，CPU（性能）被浪費，所以CPU引入了一級緩存，他的容量很小，只有幾十K左右，但他的讀寫速度卻已經(jīng)與CPU處理速度非常接近了。

CPU緩存:緩存大小也是CPU的重要指標之一，而且緩存的結(jié)構(gòu)和大小對CPU速度的影響非常大，CPU內(nèi)緩存的運行頻率極高，一般是和處理器同頻運作，工作效率遠遠大于系統(tǒng)內(nèi)存和硬盤。實際工作時，CPU往往需要重復(fù)讀取同樣的數(shù)據(jù)塊，而緩存容量的增大，可以大幅度提升CPU內(nèi)部讀取數(shù)據(jù)的命中率，而不用再到內(nèi)存或者硬盤上尋找，以此提高系統(tǒng)性能。但是由于CPU芯片面積和成本的因素來考慮，緩存都很小。

L1Cache(一級緩存)是CPU第一層高速緩存，分為數(shù)據(jù)緩存和指令緩存。內(nèi)置的L1高速緩存的容量和結(jié)構(gòu)對CPU的性能影響較大，不過高速緩沖存儲器均由靜態(tài)RAM組成，結(jié)構(gòu)較復(fù)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。一般服務(wù)器CPU的L1緩存的容量通常在32256KB。

L2Cache(二級緩存)是CPU的第二層高速緩存，分內(nèi)部和外部兩種芯片。內(nèi)部的芯片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(xiàn)在家庭用CPU容量最大的是512KB，而（服務(wù)器）和工作站上用CPU的L2高速緩存更高達256-1MB，有的高達2MB或者3MB。

L3Cache(三級緩存)，分為兩種，早期的是外置，現(xiàn)在的都是內(nèi)置的。而它的實際作用即是，L3緩存的應(yīng)用可以進一步降低內(nèi)存延遲，同時提升大數(shù)據(jù)量計算時處理器的性能。降低內(nèi)存延遲和提升大數(shù)據(jù)量計算能力對游戲都很有幫助。而在服務(wù)器領(lǐng)域增加L3緩存在性能方面仍然有顯著的提升。比方具有較大L3緩存的配置利用物理內(nèi)存會更有效，故它比較慢的磁盤I/O子系統(tǒng)可以處理更多的數(shù)據(jù)請求。具有較大L3緩存的處理器提供更有效的文件系統(tǒng)緩存行為及較短消息和處理器隊列長度。

無論是二級緩存、三級緩存還是內(nèi)存都不能存儲處理器操作的原始指令，這些指令只能存儲在CPU的一級指令緩存中，而余下的二級緩存、三級緩存和內(nèi)存僅用于存儲CPU所需數(shù)據(jù)。

一級緩存、二級緩存都是core這個級別獨享的;而三級緩存是socket獨享的(同一個socket上的多個core共享)

根據(jù)工作原理的不同，目前主流處理器所采用的一級數(shù)據(jù)緩存又可以分為實數(shù)據(jù)讀寫緩存和數(shù)據(jù)代碼指令追蹤緩存2種，它們分別被AMD和Intel所采用。不同的一級數(shù)據(jù)緩存設(shè)計對于二級緩存容量的需求也各不相同，下面讓我們簡單了解一下這兩種一級數(shù)據(jù)緩存設(shè)計的不同之處。

一、AMD一級數(shù)據(jù)緩存設(shè)計

AMD采用的一級緩存設(shè)計屬于傳統(tǒng)的"實數(shù)據(jù)讀寫緩存'設(shè)計?；谠摷軜?gòu)的一級數(shù)據(jù)緩存主要用于存儲CPU最先讀取的數(shù)據(jù);而更多的讀取數(shù)據(jù)則分別存儲在二級緩存和系統(tǒng)內(nèi)存當中。做個簡單的假設(shè)，假如處理器需要讀取"AMDATHLON643000+ISGOOD'這一串數(shù)據(jù)(不記空格)，那么首先要被讀取的"AMDATHL'將被存儲在一級數(shù)據(jù)緩存中，而余下的"ON643000+ISGOOD'則被分別存儲在二級緩存和系統(tǒng)內(nèi)存當中。

需要注意的是，以上假設(shè)只是對AMD處理器一級數(shù)據(jù)緩存的一個抽象描述，一級數(shù)據(jù)緩存和二級緩存所能存儲的數(shù)據(jù)長度完全由緩存容量的大小決定，而絕非以上假設(shè)中的幾個字節(jié)。"實數(shù)據(jù)讀寫緩存'的優(yōu)點是數(shù)據(jù)讀取直接快速，但這也需要一級數(shù)據(jù)緩存具有一定的容量，增加了處理器的制造難度(一級數(shù)據(jù)緩存的單位制造成本較二級緩存高不少)。

二、Intel一級數(shù)據(jù)緩存設(shè)計

自P4時代開始，Intel開始采用全新的"數(shù)據(jù)代碼指令追蹤緩存'設(shè)計。基于這種架構(gòu)的一級數(shù)據(jù)緩存不再存儲實際的數(shù)據(jù)，而是存儲這些數(shù)據(jù)在二級緩存中的指令代碼(即數(shù)據(jù)在二級緩存中存儲的起始地址)。假設(shè)處理器需要讀取"INTELP4ISGOOD'這一串數(shù)據(jù)(不記空格)，那么所有數(shù)據(jù)將被存儲在二級緩存中，而一級數(shù)據(jù)代碼指令追蹤緩存需要存儲的僅僅是上述數(shù)據(jù)的起始地址。

由于一級數(shù)據(jù)緩存不再存儲實際數(shù)據(jù)，因此"數(shù)據(jù)代碼指令追蹤緩存'設(shè)計能夠極大地降CPU對一級數(shù)據(jù)緩存容量的要求，降低處理器的生產(chǎn)難度。但這種設(shè)計的弊端在于數(shù)據(jù)讀取效率較"實數(shù)據(jù)讀寫緩存設(shè)計'低，而且對二級緩存容量的依賴性非常大。

另外，cat/proc/cpuinfo中看到的cache一般來說是現(xiàn)實最大級別緩存的容量，可能是三級緩存(如果有)或者是二級緩存。

如果需要了解cpu的拓撲結(jié)構(gòu),了解邏輯CPU和物理的CPU的映射關(guān)系，以及了解CPU的內(nèi)部的硬件參數(shù)，比如說L1，L2，L3cache的大小等信息。這時cpuinfo就不夠用了，上面的信息不夠多;所幸的是Intel提供了這樣的一個工具來看CPU的拓撲結(jié)構(gòu)。

參見：/en-us/articles/intel-64-architecture-processor-topology-enumeration/

下載下來編譯、運行有OK了。

./cpu_topology64.out

我的一臺（測試）服務(wù)器IntelWestmere-EP平臺，緩存相關(guān)信息如下：

L1DisLevel1Datacache,size(KBytes)=32,Cores/cache=2,Caches/package=6

L1IisLevel1Instructioncach