揭秘 CPU 缓存：L1、L2 和 L3 的性能秘密

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@小白创作中心

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https://www.sysgeek.cn/what-is-cpu-cache/

CPU缓存是提升计算机性能的关键技术之一。它通过在CPU芯片上设置不同级别的高速存储单元，实现对数据的快速访问，从而避免了因等待RAM数据而造成的性能瓶颈。本文将深入解析L1、L2和L3缓存的工作原理及其在现代CPU中的具体应用，帮助读者全面理解CPU缓存的重要作用。

CPU缓存是位于CPU芯片上的小型高速内存（基于SRAM），它的主要作用是临时存储CPU可能需要快速访问的「预取」数据。这样做的目的是为了避免因为RAM的限制而造成CPU的性能瓶颈。

现代CPU通常包含三级缓存：L1、L2和L3。这三级缓存在提升CPU性能方面起着至关重要的作用，特别是在处理像游戏等特定任务时尤为明显。

接下来，我们将介绍CPU缓存的工作原理，它的重要性，以及不同工作负载（计算任务）对CPU缓存的需求。

当应用程序运行时，它们首先会被加载进RAM中。CPU会从这个主存储器中获取、解码并执行指令。但由于现代CPU性能非常强大，例如AMD Ryzen 9 3950X，其基础运行速度为3.5GHz（即每秒35亿次），每个时钟周期能执行超过一百个操作，这就会导致一个「问题」。

从RAM中读取数据可能需要数百个时钟周期，这就会让CPU花费大量时间在等待上。如果CPU每次处理数据都依赖于从RAM中获取，那么整个系统的运行速度将会大幅下降。为了解决这个问题，所以引入了CPU缓存。

CPU会通过分析数据的使用模式，去预测接下来可能需要的数据和指令。然后，在实际需要之前，预先将这些数据从RAM移动到CPU缓存中，这个过程被称为「预取」。由于CPU缓存的读取速度比直接从RAM中访问数据要快上百倍，这样一来，CPU的等待时间就会大幅缩短。

为了提升性能，现代CPU通常会设计三个不同级别的缓存，这样能在缓存大小、响应速度（延迟）和数据命中率之间找到最佳平衡。

如果想要了解CPU的具体缓存情况，可以查阅网络资料或使用系统分析工具，例如CPU-Z或HWiNFO来查看。

使用HWiNFO查看CPU缓存

以的i9-13900K为例，我们可以更加深入地理解CPU缓存的层次和作用：

L1缓存：对于i9-13900K而言，L1缓存被分为数据缓存（8 x 48KB + 16 x 32KB）和指令缓存（8 x 32KB + 16 x 64KB），总计2.176MB。L1缓存作为最快且容量最小的存储级别，是CPU首先检查的位置。当所需数据存在于L1缓存时，即「缓存命中」，CPU便会从L1缓存中直接读取或写入数据。
L2缓存：当「缓存未命中」，即所需数据不在L1缓存中时，CPU转而检查L2缓存。L2缓存容量更大，但速度稍慢。对于i9-13900K来说，L2缓存为（8 x 2MB + 4 x 4MB）总计32MB。
L3缓存：如果L2缓存也未命中，CPU会接着检查L3缓存。L3缓存是所有缓存级别中容量最大但响应速度最慢的。例如，i9-13900K拥有36MB的L3缓存，这是共享的。

如果L3缓存还未命中，CPU将最后检查RAM，如果有必要，甚至会检查存储设备（硬盘）。这些层次性的检查确保了数据处理的高效性，尽量减少了对RAM的依赖，从而加快了整体的处理速度。