计算机中内存、cache和寄存器之间的关系及区别
1. 寄存器是中央处理器内的组成部份。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件,它们可用来暂存指令、数据和位址。在中央处理器的控制部件中,包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。在中央处理器的算术及逻辑部件中,包含的寄存器有累加器(ACC)。
2. 内存包含的范围非常广,一般分为只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)和高速缓存存储器(cache)。
3. 寄存器是CPU内部的元件,寄存器拥有非常高的读写速度,所以在寄存器之间的数据传送非常快。4. Cache :即高速缓冲存储器,是位于CPU与主内存间的一种容量较小但速度很高的存储器。由于CPU的速度远高于主内存,CPU直接从内存中存取数据要等待一定时间周期,Cache中保存着CPU刚用过或循环使用的一部分数据,当CPU再次使用该部分数据时可从Cache中直接调用,这样就减少了CPU的等待时间,提高了系统的效率。Cache又分为一级Cache(L1 Cache)和二级Cache(L2 Cache),L1 Cache集成在CPU内部,L2 Cache早期一般是焊在主板上,现在也都集成在CPU内部,常见的容量有256KB或512KB L2 Cache。
总结:大致来说数据是通过内存-Cache-寄存器,Cache缓存则是为了弥补CPU与内存之间运算速度的差异而设置的的部件。
首先看一下计算机的存储体系(Memory hierarchy)金字塔
其次我们看看一个计算机的存储体系
Register
寄存器是CPU的内部组成单元,是CPU运算时取指令和数据的地方,速度很快,寄存器可以用来暂存指令、数据和地址。在CPU中,通常有通用寄存器,如指令寄存器IR;特殊功能寄存器,如程序计数器PC、sp等。
Cache
缓存即就是用于暂时存放内存中的数据,若果寄存器要取内存中的一部分数据时,可直接从缓存中取到,这样可以调高速度。高速缓存是内存的部分拷贝。
CPU <--- > 寄存器<--- > 缓存<--- >内存
寄存器的工作方式很简单,只有两步:(1)找到相关的位,(2)读取这些位。
内存的工作方式就要复杂得多:
(1)找到数据的指针。(指针可能存放在寄存器内,所以这一步就已经包括寄存器的全部工作了。)
(2)将指针送往内存管理单元(MMU),由MMU将虚拟的内存地址翻译成实际的物理地址。
(3)将物理地址送往内存控制器(memory controller),由内存控制器找出该地址在哪一根内存插槽(bank)上。
(4)确定数据在哪一个内存块(chunk)上,从该块读取数据。
(5)数据先送回内存控制器,再送回CPU,然后开始使用。
内存的工作流程比寄存器多出许多步。每一步都会产生延迟,累积起来就使得内存比寄存器慢得多。
为了缓解寄存器与内存之间的巨大速度差异,硬件设计师做出了许多努力,包括在CPU内部设置缓存、优化CPU工作方式,尽量一次性从内存读取指令所要用到的全部数据等等。
RAM-memory
即内存,是用于存放数据的单元。其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据,以及与硬盘等外部存储器交换的数据。
HardDisk
硬盘
一条汇编指令大概执行过程是(不是绝对的,不同平台有差异):
取指(取指令)、译码(把指令转换成微指令)、取数(读内存里的操作数)、计算(各种计算的过程,ALU负责)、写回(将计算结果写回内存),有些平台里,前两步会合并成一步,某些指令也不会有取数或者回写的过程。
再提一下CPU主频的概念:首先,主频绝对不等于一秒钟可以执行的指令个数,每个指令的执行成本是不同的,比如x86平台里汇编指令INC就比ADD要快,具体每个指令的时钟周期可以参考intel的手册。
为什么要提主频?因为上面的执行过程中,每个操作都需要占用一个时钟周期,对于一个操作内存的加法,就需要5个时钟周期,换句话说,500Mhz主频的CPU,最多执行100MHz条指令。
仔细观察,上面的步骤里不包括寄存器操作,对于CPU来说读/写寄存器是不需要时间的,或者说如果只是操作寄存器(比如类似mov BX,AX之类的操作),那么一秒钟执行的指令个数理论上说就等于主频,因为寄存器是CPU的一部分。
然后寄存器往下就是各级的cache,有L1 cache,L2,甚至有L3的,以及TLB这些(TLB也可以认为是cache),之后就是内存,前面说寄存器快,现在说为什么这些慢:
对于各级的cache,访问速度是不同的,理论上说L1cache(一级缓存)有着跟CPU寄存器相同的速度,但L1cache有一个问题,当需要同步cache和内存之间的内容时,需要锁住cache的某一块(术语是cache line),然后再进行cache或者内存内容的更新,这段期间这个cache块是不能被访问的,所以L1cache的速度就没寄存器快,因为它会频繁的有一段时间不可用。
L1 cache下面是L2 cache,甚至L3 cache,这些都有跟L1 cache一样的问题,要加锁,同步,并且L2比L1慢,L3比L2慢,这样速度也就更低了。
最后说说内存,内存的主频现在主流是1333左右吧?或者1600,单位是MHz,这比CPU的速度要低的多,所以内存的速度起点就更低,然后内存跟CPU之间通信也不是想要什么就要什么的。
内存不仅仅要跟CPU通信,还要通过DMA控制器与其它硬件通信,CPU要发起一次内存请求,先要给一个信号说“我要访问数据了,你忙不忙?”如果此时内存忙,则通信需要等待,不忙的时候,通信才能正常。并且,这个请求信号的时间代价,就是够执行几个汇编指令了,所以,这是内存慢的一个原因。
另一个原因是:内存跟CPU之间通信的通道也是有限的,就是所谓的“总线带宽”,但,要记住这个带宽不仅仅是留给内存的,还包括显存之类的各种通信都要走这条路,并且由于路是共享的,所以任何请求发起之间都要先抢占,抢占带宽需要时间,带宽不够等待的话也需要时间。
以上两条加起来导致了CPU访问内存更慢,比cache还慢。
举个更容易懂的例子:
CPU要取寄存器AX的值,只需要一步:把AX给我拿来,AX就拿来了。
CPU要取L1 cache的某个值,需要1-3步(或者更多):把某某cache行锁住,把某个数据拿来,解锁,如果没锁住就慢了。
CPU要取L2 cache的某个值,先要到L1 cache里取,L1说,我没有,在L2里,L2开始加锁,加锁以后,把L2里的数据复制到L1,再执行读L1的过程,上面的3步,再解锁。
CPU取L3 cache的也是一样,只不过先由L3复制到L2,从L2复制到L1,从L1到CPU。
CPU取内存则最复杂:通知内存控制器占用总线带宽,通知内存加锁,发起内存读请求,等待回应,回应数据保存到L3(如果没有就到L2),再从L3/2到L1,再从L1到CPU,之后解除总线锁定。
磁盘缓存和内存缓存的区别
内存缓存
高速缓存(英语:cache,英语发音:/kæʃ/ kash [1][2][3],简称缓存),其原始意义是指访问速度比一般随机存取存储器(RAM)快的一种RAM,通常它不像系统主存那样使用DRAM技术,而使用昂贵但较快速的SRAM技术。
原理
Cache一词来源于1967年的一篇电子工程期刊论文。其作者将法语词“cache”赋予“safekeeping storage”的涵义,用于电脑工程领域。
当CPU处理数据时,它会先到Cache中去寻找,如果数据因之前的操作已经读取而被暂存其中,就不需要再从随机存取存储器(Main memory)中读取数据——由于CPU的运行速度一般比主内存的读取速度快,主存储器周期(访问主存储器所需要的时间)为数个时钟周期。因此若要访问主内存的话,就必须等待数个CPU周期从而造成浪费。
提供“缓存”的目的是为了让数据访问的速度适应CPU的处理速度,其基于的原理是内存中“程序执行与数据访问的局域性行为”,即一定程序执行时间和空间内,被访问的代码集中于一部分。为了充分发挥缓存的作用,不仅依靠“暂存刚刚访问过的数据”,还要使用硬件实现的指令预测与数据预取技术——尽可能把将要使用的数据预先从内存中取到缓存里。
CPU的缓存曾经是用在超级计算机上的一种高级技术,不过现今电脑上使用的的AMD或Intel微处理器都在芯片内部集成了大小不等的数据缓存和指令缓存,通称为L1缓存(L1 Cache即Level 1 On-die Cache,第一级片上高速缓冲存储器);而比L1更大容量的L2缓存曾经被放在CPU外部(主板或者CPU接口卡上),但是现在已经成为CPU内部的标准组件;更昂贵的CPU会配备比L2缓存还要大的L3缓存(level 3 On-die Cache第三级高速缓冲存储器)。
概念的扩充
如今缓存的概念已被扩充,不仅在CPU和主内存之间有Cache,而且在内存和硬盘之间也有Cache(磁盘缓存),乃至在硬盘与网络之间也有某种意义上的Cache──称为Internet临时文件夹或网络内容缓存等。凡是位于速度相差较大的两种硬件之间,用于协调两者数据传输速度差异的结构,均可称之为Cache。
地址镜像与变换
主条目:CPU缓存#组相联
由于主存容量远大于CPU缓存的容量,因此两者之间就必须按一定的规则对应起来。地址镜像就是指按某种规则把主存块装入缓存中。地址变换是指当按某种镜像方式把主存块装入缓存后,每次访问CPU缓存时,如何把主存的物理地址(Physical address)或虚拟地址(Virtual address)变换成CPU缓存的地址,从而访问其中的数据。
缓存置换策略
主条目:CPU缓存#置换策略、分页和缓存文件置换机制
主存容量远大于CPU缓存,磁盘容量远大于主存,因此无论是哪一层次的缓存都面临一个同样的问题:当容量有限的缓存的空闲空间全部用完后,又有新的内容需要添加进缓存时,如何挑选并舍弃原有的部分内容,从而腾出空间放入这些新的内容。解决这个问题的算法有几种,如最久未使用算法(LRU)、先进先出算法(FIFO)、最近最少使用算法(LFU)、非最近使用算法(NMRU)等,这些算法在不同层次的缓存上执行时拥有不同的效率和代价,需根据具体场合选择最合适的一种。
磁盘缓存
磁盘缓存
16MB缓冲区的硬盘
磁盘缓存(Disk Buffer)或磁盘快取(Disk Cache)实际上是将下载到的数据先保存于系统为软件分配的内存空间中(这个内存空间被称之为“内存池”),当保存到内存池中的数据达到一个程度时,便将数据保存到硬盘中。这样可以减少实际的磁盘操作,有效的保护磁盘免于重复的读写操作而导致的损坏。
磁盘缓存是为了减少CPU透过I/O读取磁盘机的次数,提升磁盘I/O的效率,用一块内存来储存存取较频繁的磁盘内容;因为内存的存取是电子动作,而磁盘的存取是I/O动作,感觉上磁盘I/O变得较为快速。
相同的技巧可用在写入动作,我们先将欲写入的内容放入内存中,等到系统有其它空闲的时间,再将这块内存的资料写入磁盘中。
大小
现在的磁盘通常有32MB或64MB缓存。旧的硬盘则有8MB或16MB。
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