計算機 - 快取記憶體

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什麼是快取記憶體？

比RAM更小更快的一種記憶體稱為快取記憶體。它是一種易失性記憶體，固定在更靠近CPU的位置，以便為處理器提供高速資料訪問，並存儲常用計算機程式、應用程式和資料。通常，快取記憶體位於處理器和隨機存取記憶體之間。

快取記憶體是什麼樣的？

可以使用以下圖片瞭解快取記憶體的物理結構。

它儲存大量使用的資料和指令，以便加快處理速度。

為什麼快取記憶體很重要？

快取記憶體比主記憶體快得多，因此CPU可以快速訪問執行中使用的資料；快取記憶體有助於充分利用CPU。它通常固定在更靠近CPU的位置，以便與CPU和RAM進行通訊。快取記憶體提高了系統的整體效能和效率。它減少了CPU從主記憶體檢索資料時遇到的延遲。

快取記憶體是如何工作的？

快取中的資料通常儲存在具有即時訪問許可權的硬體中，例如RAM。當用戶檢索資料時，它會首先檢查快取。如果資料位於快取中，則稱為快取命中。提供快取命中的嘗試比例稱為快取命中率或比率。未位於快取中的資料將從主記憶體中獲取並放入快取中。這稱為快取未命中。如何實現這一點以及從快取中驅逐哪些資訊以騰出空間用於新資料，取決於快取演算法、快取機制和系統規則。

不同的快取機制控制著快取的操作。

• 快取層次結構 - 計算機通常具有L1、L2和L3快取，它們是快取記憶體的幾個層次。L1快取是最小且最快的快取，位於最靠近CPU的位置；L2和L3快取更大且更慢。現代處理器包含L1、L2和L3快取，其容量和延遲隨著距離CPU核心的距離增加而增加。透過將L1快取分成指令快取和資料快取來實現並行訪問。
• 快取組織 - 快取記憶體的每個塊或行都包含從主記憶體複製的一小部分資料。CPU以固定大小的塊訪問快取記憶體，而不是位元組。
• 快取一致性 - 快取一致性確保快取資料與主記憶體資料匹配。在多核處理器中，當一個核心寫入多核處理器中的記憶體位置時，快取一致性技術會更新其他核心的快取。
• 快取替換策略 - 快取替換策略決定在快取已滿且需要新塊時要驅逐哪個塊。LRU、FIFO和隨機替換是常見的策略。
• 快取訪問 - CPU在讀取或寫入資料之前會檢查快取。當資料被快取時，CPU可以快速檢索它。如果資料不在快取中（快取未命中），CPU必須從主記憶體中獲取它，這可能會延遲它。
• 快取管理 - 最佳化快取利用率可最大限度地提高命中率並最大限度地減少未命中懲罰。預取（處理器預測記憶體訪問並將資料載入到快取中）可以提高快取效能。

快取記憶體緩衝了CPU和主記憶體之間頻繁訪問的資料，以加快處理速度並提高系統性能。現代計算機系統需要有效的管理和結構才能獲得最佳效能。

快取記憶體型別

不同型別的快取記憶體，如L1、L2和L3快取，具有不同的速度和空間大小。

快取記憶體的級別：L1、L2和L3

CPU快取記憶體分為三個“級別”：L1、L2和L3。

L1快取

一級快取是計算機最快的記憶體。CPU最常訪問的資料駐留在L1快取中。CPU決定L1快取的大小。一些高階消費級CPU，例如Intel i9-9980XE，具有1MB的L1快取，但它們價格昂貴且罕見。英特爾的至強等伺服器晶片組具有1-2MB的L1記憶體快取。購買前，請檢查CPU規格以確定L1快取的大小。沒有“標準”數量。

L1快取通常有兩個部分：指令快取，儲存CPU操作資訊；資料快取，儲存操作資料。

L2快取

二級快取比L1更大但更慢。現代L2記憶體快取為千兆位元組，而不是千位元組。AMD的頂級Ryzen 5 5600X具有384KB L1和3MB L2快取以及32MB L3快取。L2快取的大小取決於CPU，但通常為256KB到32MB。如今，大多數CPU的L2快取都超過256KB，這很小。一些目前最強大的CPU的L2記憶體快取超過8MB。在速度方面，L2快取比L1快取慢，但仍然比系統RAM快。L2快取比RAM快25倍，而L1快取比RAM快100倍。

L3快取

三級快取。L3記憶體快取最初位於主機板上。這是很久以前的事情了，當時大多數CPU都是單核的。高階消費級CPU上的L3快取可以達到32MB，而AMD突破性的Ryzen 7 5800X3D CPU則擁有96MB。一些伺服器中的CPU L3快取可以達到128MB。

L3是最大且最慢的快取記憶體單元。現代CPU具有片上L3快取。該晶片的L1和L2快取為每個核心服務，而L3快取更像是整個晶片的記憶體池。以下圖片分別顯示了2012年英特爾酷睿i5-3570K CPU和2020年AMD Ryzen 5800X CPU的CPU記憶體快取級別。第二張圖片的右下角包含CPU快取資料。

快取記憶體的應用

快取記憶體的主要應用如下：

• 快取儲存臨時檔案；因此它最廣泛地用於CPU。
• 不同的程式和軟體使用自己的快取。
• Web瀏覽器具有保留資訊的快取。
• 作業系統使用快取。
• 它儲存經常訪問的資料，如果使用者重新訪問這些資料，則可以快速訪問資料。

快取記憶體的優點

快取記憶體的一些主要優點如下：

• 更快的訪問速度 - 它更靠近CPU，因此可以非常快速地訪問資料。
• 減少記憶體延遲 - 從記憶體檢索資料所需的時間非常短，這表明它減少了記憶體延遲。
• 提高有效的CPU利用率 - 它透過快速訪問資料並將其提供給CPU來支援充分利用CPU，以便及時執行指令或程式。
• 降低功耗 - 快取記憶體比其他型別的儲存消耗的功率要低得多。
• 可擴充套件性 - 快取記憶體可以隨著系統的需求而增長。

總的來說，快取記憶體提高了吞吐量，提高了可靠性並提高了可擴充套件性。