CPU緩存對CPU性能的影響

     CPU二級緩存作為一級緩存的“後備倉庫”，用于為一級緩存存儲更多的數據，減少CPU直接訪問內存 的次數。理論上，CPU訪問並調用緩存的數據所佔的比重越大，則CPU訪問並調用內存的數據所佔的比重就越小，那麼因訪問內存而耽誤的時間 就越少。所以緩存的容量越大，CPU的實際效率也就越高，性能就越強。

　　實際上，現在Intel和AMD處理器在一級緩存的邏輯結構設計上有所不同，所以二級緩存對CPU性能的影響也不盡相同。因為CPU讀取的 數據（包括指令）中有80%的數據來自一級緩存，所以一級緩存的邏輯結構決定了CPU二級緩存容量對CPU性能的影響。Intel的Pentium 4及Celeron系列處理器的一級數據緩存被稱為“數據代碼指令追蹤（讀寫）緩存”；AMD的Athlon 64/Athlon XP/Sempron/Duron系列處理器 的一級數據緩存叫作“實數據讀寫緩存”。

　　這兩類CPU一級緩存不同的邏輯結構有什麼不同？下面，我用一個例子來描述。

　　假設有一個運算任務，要從“1”一直遞加到“999999”。在傳統的“實數據讀寫緩存”架構下，這一系列數據中最先用到的數據（如 “1、2……449、450”）將存儲在CPU一級數據緩存中，更多的數據（如“451、452……899999、900000”）存儲在CPU二級緩存中，其餘的數 據（如“900001、999002……999998、999999”）暫存在內存中，CPU將按照一級數據緩存、二級緩存和內存的順序讀取這些數據。

傳統的一級數據緩存的存儲方式

但是在“數據代碼指令追蹤緩存”架構的CPU中，一級數據緩存並不存儲這些最先用到的數據（“1、2……449、450”），而是將這些 數據存儲到二級緩存中，一級數據緩存僅僅存儲這些數據在二級緩存中的起止地址（又稱為：指令代碼）。例如，數據“1、2……449、450” 順序存儲在二級緩存中，數據“1”所在地址為“00001F”，數據“450” 所在地址為“00451F”，實際上一級數據緩存只需要存儲“00001F”和“00451F”這兩個地址就可以了，而不需要存儲大量的數據。

“數據代碼指令追蹤緩存”架構的一級數據緩存的存儲方式

　　但是由于其一級數據緩存不存儲數據，數據存儲在二級緩存中，因此對二級緩存容量的依賴非常大，所以CPU需要更大的二級緩存容量 才能發揮出應有的性能。在實際應用中，CPU處理的數據中大多數都是0KB～128KB大小的數據，128KB～256KB的數據約有10％，256KB～512KB的 數據有5％，512KB～1MB的數據僅有3％左右。所以對于這種CPU來說，二級緩存容量從0KB增加到256KB對CPU性能的提高幾乎是直線性的；增加 到512KB對CPU性能的提高稍微小一些；從512KB增加到1MB，普通用戶就很難體會到CPU性能有提高了。正因為如此，大家能感受到Pentium 4 C（512KB二級緩存）與Celeron（128KB二級緩存）的性能差異，卻很難感受到Pentium 4 C(512KB二級緩存)與Pentium 4 E（1MB二級緩存）的性能差異了。

CPU處理數據大小的概率分布圖

例如，同為2.8GHz主頻的Celeron D（256KB二級緩存）和Pentium 4 E(1MB二級緩存)運算super π 104萬位的耗時分別為56秒和48秒 ，除去外頻（前者為133MHz，後者為200MHz）的差異和超線程技術的影響，兩者的性能差距只有10％左右，對于普通用戶而言這樣的性能差距 是微不足道的；只有對CPU運算性能要求“苛刻”的玩家來說更大的二級緩存容量才是必須的。

Celeron D

Pentium 4 E

　　相對的，由于AMD的Athlon 64/Athlon XP/Sempron/Duron系列產品的一級數據緩存直接存儲數據，而且128KB的容量在大多數情況下就 可以承擔CPU所急需的數據，所以其二級緩存對CPU性能的影響並沒有那麼大。這也就解釋了為什麼主頻和外頻相同的Athlon XP（256KB或512KB二級緩存）和Duron（64KB二級緩存）雖然二級緩存容量差異巨大，但實際性能差距不大的原因。而且Athlon 64/Sempron 系列CPU在內存控制器、流水線長度、頻率、總線架構和擴展指令集等諸多方面與以前的產品都有差異，因此在性能上受二級緩存容量的影響就 更小了。

Sempron

Athlon 64

　　綜上所述，在CPU性能方面，並非只從二級緩存容量上作對比就可以得到準確的答案，實際上還要考慮到緩存的總體設計結構、一級數 據緩存容量等因素。雖然從總體上來講，二級緩存容量越大越好，但是並不是二級緩存容量提高一倍就能使CPU性能提升一倍。因此對于一般家 庭用戶來說，電腦主要是用來上網、欣賞音樂和電影以及文字處理，二級緩存為256KB的Celeron D或Sempron已經足夠了。只有對3D遊戲、辦公軟件和多媒體編輯性能要求較高的用戶才需要更大二級緩存的CPU。