解读 CPU 缓存：为何有 L1、L2 和 L3 缓存？它们如何工作？
近年来，计算机中央处理器已经取得了相当大的进步，晶体管每年都在变小，性能也变得更加强大。每当提到处理器的性能时，人们往往会想到晶体管和频率。实际上，除了更多的晶体管数量和更高的频率之外，缓存也非常重要。
对于大部分人来讲，他们大都听说过缓存。但是，并没有对 CPU 缓存的容量给予足够的关注。那么，CPU 缓存到底有多重要，它是如何工作的？
什么是 CPU 高速缓存？
简而言之，CPU 缓存只是一种非常快速的内存类型。在计算的早期，处理器速度和内存速度都很低。然而，在 1980 年代，处理器速度开始迅速提高。当时的系统内存（RAM）无法应对或匹配不断增加的CPU速度，因此一种新型的超快内存诞生了：CPU缓存。
现在，您的计算机内部有多种类型的内存，例如有主存储（如硬盘或 SSD）存储大部分数据，即操作系统和程序。
还有“随机存取存储器”， 俗称内存，它比主存储快得多，但只是一个短期存储介质，它让计算机及其程序使用 RAM 来存储经常访问的数据，从而帮助保持计算机上的操作良好而快速。
最后，CPU 内部还具有更快的内存单元，称为 CPU 缓存。
计算机内存具有基于其运行速度的层次结构。CPU 缓存位于此层次结构的顶部，是最快的。它也是最接近中央处理的地方，是CPU本身的一部分。从技术上来看，高速缓存的运行速度比 RAM 快 10 到 100 倍，只需要几纳秒即可响应 CPU 请求。
计算机内存也有不同的类型，其中高速缓存是静态RAM（SRAM）的一种形式，而常规系统RAM称为动态RAM（DRAM）。静态RAM可以保存数据而无需不断刷新，这与DRAM不同，这使得SRAM成为缓存的理想选择。
CPU 缓存如何工作？
计算机上的应用程序被设计为 CPU 解释和运行的一组指令。当您运行程序时，指令会从主存储（硬盘驱动器）传输到 CPU，这就是内存层次结构发挥作用的地方。
数据首先加载到 RAM 中，然后发送到 CPU。CPU每秒能够执行大量指令。为了充分利用其功能，CPU 需要访问超快内存，这就是 CPU 缓存的用武之地。
内存控制器从 RAM 获取数据并将其发送到 CPU 缓存，然后内存缓存在 CPU 内来回执行数据。当然，内存层次结构也存在于 CPU 缓存中。
CPU 高速缓存分为三个“级别”：L1、L2 和 L3，内存层次结构则根据速度以及缓存大小进行排列。
一级缓存
L1（级别 1）缓存是计算机系统中存在的最快内存。就访问优先级而言，一级缓存具有 CPU 在完成特定任务时最有可能需要的数据。
一级缓存的大小取决于 CPU。一些高端消费类CPU现在具有1MB的L1缓存，如Intel i9-9980XE，但这些要花费大量资金，而且仍然很少。一些服务器芯片组，如英特尔的Xeon系列，还具有1-2MB的L1内存缓存。
由于一级缓存的大小没有“标准”，因此您必须在购买前仔细查看 CPU 规格以确定确切的一级内存缓存大小。
英特尔 CPU L1 数据缓存图
一级缓存通常分为两部分：指令缓存和数据缓存。指令高速缓存处理有关 CPU 必须执行的操作的信息，而数据高速缓存保存要对其执行操作的数据。
二级缓存
L2（级别 2）缓存比 L1 缓存慢，但容量更大。L1 缓存可能以 KB 为单位，而 L2 内存缓存以兆字节为单位。例如，AMD Ryzen 5 5600X具有384KB的L1缓存和3MB的L2缓存（加上32MB的L3缓存）。
二级缓存大小因 CPU 而异，但其大小通常在 256KB 到 32MB 之间。大多数 CPU 将包含超过 256KB 的二级缓存，这在现阶段是最小的。此外，一些最强大的 CPU 具有更大的二级内存缓存，远远超过 8MB。
在速度方面，二级缓存落后于一级缓存，但仍然比您的系统 RAM 快得多。一级内存缓存通常比 RAM 快 100 倍，而二级缓存大约快 25 倍。
三级缓存
早期，L3内存缓存实际上是在主板上找到的。现在，CPU 中的 L3 缓存可能非常庞大，高端消费类 CPU 具有高达 32MB 的 L3 缓存，某些服务器 CPU L3 缓存可能会超过此值，最高可达 128MB。
L3 缓存是最大但也是最慢的缓存单元。 但是，虽然芯片本身的每个内核都存在L1和L2缓存，但L3缓存更类似于整个芯片都可以利用的通用内存池。
我们需要多少 CPU 缓存？
缓存越多、容量越大，则会越好，价格也会越高。新一代的CPU自然会比老一代包含更多的CPU缓存，并且缓存也可能更快。
因此，我们可以根据自己的实际应用场景需求，在购买产品之前仔细查看产品的规则，以此来保证买到自己想要的产品。
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原文作者：GAVIN PHILLIPS
