现代CPU使用了很多技术来降低对内存存取数据的延时,因为CPU执行的速度实在是太快了,在从内存存取数据的约120ns中,可以执行数百条指令。

其中多级的缓存架构就是为了减少这种延时,来提高CPU的利用率。

在SMP系统使消息传递协议来保证缓存的一致性。但是CPU运行实在是太快了,人类总是很贪婪,想尽各种办法榨取CPU的性能,因此在缓存体系统,还存在的其它一些不怎么被人熟悉的Buffer。

这其中有Write back buffer, Line fill buffer, 而本文要介绍的是Write combining Buffer, 至于另外两个Buffer,来日方长,待我想明白怎么表白了再来写。

CPU缓存是高效的非链式Hash Map, 每一块通常是64个字节,常称为缓存行。缓存行是与内存操作的基本单元。内存中某一地址的内容,通过Hash 映射到缓存中的某一个缓存行。

当CPU需要操作内存中的一块数据,而这块数据又不在缓存中,而缓存中相应位置存储的其它内存块的内容则需要被释放。长江后浪推前浪,老数据还是要为新数据让道。

当CPU执行一个Store操作时,它将会把数据写到离CPU最近的L1的数据缓存,如果这个时候发生Write miss, 则CPU将会去L2缓存。这个时候,Write Combining Buffer就来了,为了减少Write Miss带来的性能开销,Intel和其它很多型号的CPU都引入了Write Combining 技术。Write Combining Buffer不是编程时内存里的Buffer,而是CPU里面真实的存储单元,是硬件。

当发生L1 Write Miss时,WC 可以把多个对同一缓存行Store操作的数据放在WC中,在程序对相应缓存行(或者理解为这些数据)读之前先合并,等到需要读取时再一次性写入来减少写的次数和总线的压力。此时,CPU可以在把数据放入WC后继续执行指令,减少了很多时钟周期的浪费。不同的CPU, WC的数量可能是不一样的。Intel的CPU中,其实只有4个WC可以真正被我们同时使用。

这几个Buffer 非常有意思的是要求后续的写操作都要对同一缓存行进行写操作,这样后续的写操作才可以被放到一起提交到L2 缓存。WC中的每个字节有64位来表示其状态,以供后续需要写到缓存时知道哪些字节是需要传送到L2的。

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