级二级三级缓存机制

首先我们来简单了解一下。目前所有主流处理器大都具有和二级缓存，少数高

端处理器还集成了。其中，可分为一级指令缓存和一级数据缓存。一级指令缓

存用于暂时存储并向CPU递送各类运算指令；一级数据缓存用于暂时存储并向CPU递送运算所需数据，这就是一级缓存的作用（如果大家对上述文字理解困难的话，可参照下图所示）。

那么，二级缓存的作用又是什么呢？简单地说，二级缓存就是一级缓存的缓冲器：一级缓存制造成本很高因此它的容量有限，二级缓存的作用就是存储那些CPU处理时需要用到、一级缓存又无法存储的数据。同样道理，和内存可以看作是二级缓存的缓冲器，它们的容量递增，但单位制造成本却递减。需要注意

的是，无论是二级缓存、还是内存都不能存储处理器操作的原始指令，这些指

令只能存储在CPU的一级指令缓存中，而余下的二级缓存、三级缓存和内存仅用于存储CPU所需数据。

根据工作原理的不同，目前主流处理器所采用的一级数据缓存又可以分为实数

据读写缓存和数据代码指令追踪缓存2种，它们分别被AMD和Intel所采用。不同的一级数据缓存设计对于二级缓存容量的需求也各不相同，下面让我们简

单了解一下这两种一级数据缓存设计的不同之处。

一、AMD一级数据缓存设计

AMD采用的一级缓存设计属于传统的“实数据读写缓存”设计。基于该架构

的一级数据缓存主要用于存储CPU最先读取的数据；而更多的读取数据则分别存储在二级缓存和系统内存当中。做个简单的假设，假如处理器需要读取“AMD 3000+ IS GOOD”这一串数据（不记空格），那么首先要被读取的“AMDATHL”将被存储在一级数据缓存中，而余下的“ON3000+ISGOOD”则被分别存储在二级缓存和系统内存当中（如下图所示）。

需要注意的是，以上假设只是对一级数据缓存的一个抽象描述，一级数据缓存

和二级缓存所能存储的数据长度完全由缓存容量的大小决定，而绝非以上假设

中的几个字节。“实数据读写缓存”的优点是数据读取直接快速，但这也需要

一级数据缓存具有一定的容量，增加了处理器的制造难度（一级数据缓存的单

位制造成本较二级缓存高）。

二、Intel一级数据缓存设计

自P4时代开始，Intel开始采用全新的“数据代码指令追踪缓存”设计。基于

这种架构的一级数据缓存不再存储实际的数据，而是存储这些数据在二级缓存

中的指令代码（即数据在二级缓存中存储的起始地址）。假设处理器需要读取“INTEL P4 IS GOOD”这一串数据（不记空格），那么所有数据将被存储在

二级缓存中，而一级数据代码指令追踪缓存需要存储的仅仅是上述数据的起始

地址（如下图所示）。

由于一级数据缓存不再存储实际数据，因此“数据代码指令追踪缓存”设计能

够极大地降CPU对一级数据缓存容量的要求，降低处理器的生产难度。但这种设计的弊端在于数据读取效率较“实数据读写缓存设计”低，而且对二级缓存

容量的依赖性非常大。

在了解了一级缓存、二级缓存的大致作用及其分类以后，下面我们来回答以下

硬件一菜鸟网友提出的问题。

从理论上讲，二级缓存越大处理器的性能越好，但这并不是说二级缓存容量加

倍就能够处理器带来成倍的性能增长。目前CPU处理的绝大部分数据的大小都在0-256KB之间，小部分数据的大小在256KB-512KB之间，只有极少数数据的大小超过512KB。所以只要处理器可用的一级、二级缓存容量达到256KB

以上，那就能够应付正常的应用；512KB容量的二级缓存已经足够满足绝大多数应用的需求。

这其中，对于采用“实数据读写缓存”设计的AMD 、Sempron处理器而言，由于它们已经具备了64KB一级指令缓存和64KB一级数据缓存，只要处理器

的二级缓存容量大于等于128KB就能够存储足够的数据和指令，因此它们对二级缓存的依赖性并不大。这就是为什么主频同为的 Sempron 3000+（128KB 二级缓存）、Sempron 3100+（256KB二级缓存）以及 64 2800+（512KB

二级缓存）在大多数评测中性能非常接近的主要原因。所以对于普通用户而言Sempron 2600+是值得考虑的。

反观Intel目前主推的P4、赛扬系列处理器，它们都采用了“数据代码指令追

踪缓存”架构，其中Prescott内核的一级缓存中只包含了12KB一级指令缓存和16KB一级数据缓存，而Northwood内核更是只有12KB一级指令缓存和

8KB一级数据缓存。所以P4、赛扬系列处理器对二级缓存的依赖性是非常大的，赛扬D 320（256KB二级缓存）与赛扬（128KB二级缓存）性能上的巨大差

距就很好地证明了这一点；而赛扬D和P4 E处理器之间的性能差距同样十分

明显。