CPU 硬件介绍

2023-02-19 language

CPU 的发展因为受制于制造工艺和成本限制，CPU 的频率、内存的访问速度都没有太多质的突破，但是两者直接的访问处理速度相差越来越大。所以，目前在 CPU 和内存之间包含了多级缓存，用来提高 CPU 的处理速度。

现在的多数 CPU 都集成了几层的 Cache ，为了维持与主存的关系，经常能够看到 2-ways 4-ways Cache，它是什么意思呢？Cache 和内存地址是怎么对应起来的呢？

这里简单介绍。

intel cpu chips

简介

在 Linux 中可以通过 lscpu 命令查看 CPU 相关信息。

Cache

cache hierarchy

目前大多数处理器的 Cache 被分成多行，被称为 Cache Line ，也是 Cache 操作的基本单位，其大小会从 16B 到 256B 不等，一般大小是 64B 。例如，如果 L1D 的缓存大小为 32KB ，那么就有 512 个 Cache Line 。

当程序访问某个地址时，会经过虚拟地址到物理地址的映射，那么这就涉及到了页表以及 TLB ，只在转换到了物理地址之后才会涉及到 Cache 相关的内容。

也就是说，如果 TLB 的命中概率比较低的话，同样会导致读取内存的速度变慢。

映射关系

也就是 Cache 到物理内存的映射。

直接映射

Direct Mapped Cache 是最简单粗暴的例子，每个地址可以且只能映射到某个 Cache Line 上。

假设内存大小为 16K ，每四个字节作为一个 Block ，如果要对 16K 内存进行寻址，那么需要 14 位地址；Cache 的大小为 256 字节，每个 Block 大小同样为四个字节。

Direct Mapped Cache

通过 Index 定位到 Cache 中的偏移，Offset 对应了 Cache Line 中的偏移，而 Tag 则对应了内存地址的高位，也就是每个 Cache Line 可能会缓存不同的 64 个地址中的一个。

全映射

Fully Associative Cache 也就是每个 Cache 可以映射到内存中的任意一个内存中地址。

Fully Associative Cache

Set 映射

Set Associative Cache 将直接映射又做了逻辑分组。

Set Associative Cache

其它

Linux 查看

可以通过如下的方式查看。

----- 如果启动时间比较短，可以通过如下方式查看
# dmesg | grep cache

----- 比较详细的硬件信息，包括了Cache的详细信息
# dmidecode

----- 查看硬件信息，例如CPU、内存等
# lshw

----- 查看CPU相关信息，两者比较类似
# lscpu
# cat /proc/cpuinfo

另外，由专门针对 x86 信息的程序，也就是 x86info ，可以直接安装对应的包。

注意，现在多数的 CPU 采用的是超线程，也就是说对于一个物理核来说，对于内核看到的是两个，而实际的物理核是一个。

sys

另外，在 /sys/devices/system/cpu/ 中包含了一些相关的指标，例如。

----- 查看cpu0的一级缓存中的有多少组
# /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index0/number_of_sets
64
----- 查看cpu0的一级缓存中一组中的行数
$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index0/ways_of_associativity
8

通过类似 lscpu 查看到对应 CPU0 的一级缓存大小是 32K ，包含了 64 个组 (sets)，每组有 8 ways，则可以算出每一个 way (也就是 Cache Line) 的大小是 32*1024/(64*8)=64 。

可以通过如下方式查看。

# cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index0/coherency_line_size
64

参考