发信人: linger_dfi(小生（情龙）)
整理人: zdzd127(2001-03-30 17:51:55), 站内信件
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被AMD公司称为第七代微处理器的新速龙（研发代号Thunderbird，雷鸟），以其200MHz、1.6GB/s的系统总线（EV6）、完全流水线、超标量浮点引擎和增强的AMD 3DNow!技术，给用户带来了一个崭新的形象。
新速龙不仅使用了128kB的一级缓存（4倍于它的x86竞争对手），而且还通过将L2缓存直接集成到芯片上来提高处理器的性能。而从新速龙及Duron微处理器发布至今，对于新速龙和Duron的缓存结构，不少朋友知之不多。本文通过为您介绍这种全速on-die缓存的优点（on-die意味着处理器芯片和缓存制作在一片上），来向您揭示速龙“芯”里的秘密。
全速的on-die L2
相对于旧版的速龙（Athlon）处理器来说，新速龙处理器号称有3倍大小的全速on-die缓存。由于新速龙拥有128kB的L1缓存和256kB的全速on-die L2存，整个内部系统有384kB缓存。on-die L2缓存允许处理器和缓存之间的速度匹配达到一比一，因此在内存密集型应用中，性能将有显著的提高，并且不需要再使用外部的L2。
现在的微处理器制造技术正逐步向0.18微米过渡。0.18微米技术允许制造出更小的晶体管，这使得集成缓存将不会显著影响芯片的尺寸，L2缓存的集成对芯片尺寸造成的影响将会更小（约占了芯片全部面积的20%）。新速龙拥有3700万个晶体管，面积为120mm2，而旧版的Athlon的面积为102mm2。
Exclusive缓存结构
所谓Exclusive结构是相对于Inclusive缓存结构而言的。Inclusive缓存结构被广泛使用在前一代的x86处理器中（包括PⅢ），该结构要求L2缓存必须复制L1缓存中的所有数据。因此，在Inclusive结构中，假设L1缓存的大小为32kB，L2缓存为256kB，那么其实际有效的缓存容量就只有256kB。
相比之下，在Exclusive结构中，L2缓存包含将被写回内存子系统的victim或copy-back缓存块（victim或copy-back指的是那些曾经被保存在L1缓存中但是随后被逐出的、为新的数据提供空间的缓存块），因此其有效缓存大小为L1、L2缓存的总和。
由于不论采取何种缓存结构，L1缓存的主要目的是储存CPU经常使用的数据，因此L1缓存越大，处理器的性能越高。当新速龙处理器的L1缓存被填满时，被逐出L1的victim或copy-back缓存块就被简单地移向L2缓存，这就使得曾经一度被CPU经常使用的数据避免直接被移回主存，而被搁置在离CPU较近的L2缓存中，L2缓存也不需要浪费空间再去复制L1缓存中的数据。
空闲时间
所谓空闲时间就是指CPU为了等待数据，而无法进行运算的时间。由于具有巨大的L1缓存和Exclusive L2缓存，新速龙处理器的内部缓存更可能包含所需的数据。当数据在缓存中时，系统就减少了空闲，从而使得整个系统的性能得到了提高。
相对于外部的静态存储器，将L2缓存集成到处理器的die上可以使数据在更少的时间内送达CPU，从而显著地降低空闲时间。新速龙处理器比旧版处理器的空闲时间少45%就是得益于on-die缓存的特性和上述的新Exclusive结构。应该注意的是，这种L2缓存的空闲时间通常不能被现有的普通缓存测试工具正确测得，由于新的Exclusive结构，测试工具需作一些改动才能获得精确的L2平均空闲时间。
新速龙处理器的victim缓冲区包含被L1缓存逐出的的数据，其缓存行的宽度是64字节，是PentiumⅢ 32字节的2倍。它有8个64字节的入口，宽度和缓存行一样。由于容量大（128kB），Athlon处理器的L1缓存在处理大多数数据请求时已经足够了，而victim缓冲区会利用空闲周期将数据传输到L2缓存的接口。
新速龙处理器的victim缓冲区在实际应用中很少会满，因此，L2的空闲时间将为11个周期——其中包括3个周期用来确定L1没有命中以及L2的8个周期的实际响应时间。
上图则显示了当L1没有命中而L2命中、同时victim缓冲区满时，响应过程中的每一步的空闲时间。在这种极端的情况下，victim缓冲区的数据立刻被复制到L2中。这也就是旧的缓存测试工具所测出等待时间为20个周期（20 8+2+2+8）的原因。
实际上，正如上文介绍的，由于victim缓冲区在实际应用中很少会满，新速龙处理器的真正空闲时间在11到20个时钟周期之间，L2的空闲时间则可以近似等于11个时钟周期。应该说，是新速龙大容量的L1和Exclusive结构的L2使其在和相同频率的PⅢ的竞争中处于相对有利的
地位。
缓存的带宽
由于速度的提高，新速龙所集成的on-die L2的带宽比旧版Athlon的L2的带宽要高300%。高带宽允许处理器在同样的时间内处理更多的数据，例如，旧版Athlon 1GHz处理器需要24ns（3×8）来传送64字节的缓存行，然而新速龙只需要8ns。
为提高Cache的命中率，PⅢ为L2Cache设计了256位的带宽，但由于新速龙的L1Cache容量高达128k，是PⅢ的4倍，也能够保持Cache有足够高的命中率。相比之下，再扩充L2总线的带宽对Cache性能的提高意义并不很大，这也就是新速龙处理器的L2Cache总线宽度为64位的原因。
相关性
新速龙采用了16路相联缓存，是旧版的Athlon 2路相联的8倍，它使得系统可以通过减少数据冲突来提高命中率。如果需要的数据不在缓存中，处理器必须在主存中寻找。由于主存的速度被它的总线速度所限制（现在不超过133MHz），因此提高缓存命中率就可以显著地增加内存的平均存取速度，从而提高系统性能。
缓冲区与总线队列入口
新速龙和旧版的一样包含8个填充缓冲区、8个总线队列入口和8个回写式缓冲区。而x86的PⅢ只有6个填充缓冲区、8个总线队列入口和4个回写式缓冲区。更多的缓冲区数量能够帮助减少处理器的等待几率，通过增加数据被放置到缓冲区等待执行的几率来提高数据处理速度，使得新速龙的处理能力接近1.6GB/s的总线峰值带宽。
关于Duron处理器
本文主要介绍了AMD新速龙处理器在缓存方面的具体特色，但值得注意的是，虽然Duron处理器的L2的大小出人意外的只有64kB，但它的缓存结构完全等同于刚才介绍的新速龙。
小结
对于高性能的桌面PC来说，新速龙是目前最强劲的x86处理器之一。集成的on-die L2缓存、Exclusive结构、低空闲时间和高相关性的L2缓存等诸多特点，使其在商业、多媒体、娱乐软件、图像处理以及高端的CAD/CAM应用等密集型应用中取得了优异的性能，为桌面消费者及企业计算机系统提供了可靠而高性能的解决方案。
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