存储器分级策略

存储器分级策略

拉钩教育 重学操作系统 05 | 存储器分级：L1 Cache 比内存和 SSD 快多少倍？ 部分片段

为什么会有存储器分级策略？

要想弄清楚存储器分级策略。

首先，你要弄清楚，“我们希望存储器是什么样子的”，也就是“我们的需求是什么”？

然后，你要弄清楚，我们的需求有哪些“实现约束”。

从需求上讲，我们希望存储器速度快、体积小、空间大、能耗低、散热好、断电数据不丢失。但在现实中，我们往往无法把所有需求都实现。

下面我们举几个例子，带你深入体会一下，比如：

如果一个存储器的体积小，那它存储空间就会受到制约。如果一个存储器电子元件密度很大，那散热就会有问题。因为电子元件都会产生热能，所以电子元件非常集中的CPU，就需要单独的风扇或者水冷帮助电子元件降温。如果一个存储器离 CPU 较远，那么在传输过程中必然会有延迟，因此传输速度也会下降。

这里你可能会有疑问，因为在大多数人的认知里，光速是很快的，而信号又是以光速传输的。既然光速这么快，那信号的延迟应该很小才对。但事实并不是这样，比如时钟信号是 1GHz 的 CPU，1G 代表 10 个亿，因此时钟信号的一个周期是 1/10 亿秒。而光的速度是 3×10 的 8 次方米每秒，就是 3 亿米每秒。所以在一个周期内，光只能前进 30 厘米。

你看！虽然在宏观世界里光速非常快，但是到计算机世界里，光速并没有像我们认知中的那么快。所以即使元件离 CPU 的距离稍微远了一点，运行速度也会下降得非常明显。

你可能还会问，那干吗不把内存放到 CPU 里？

如果你这么做的话，除了整个电路散热和体积会出现问题，服务器也没有办法做定制内存了。也就是说 CPU 在出厂时就决定了它的内存大小，如果你想换更大的内存，就要换 CPU，而组装定制化是你非常重要的诉求，这肯定是不能接受的。

此外，在相同价格下，一个存储器的速度越快，那么它的能耗通常越高。能耗越高，发热量越大。

因此，我们上面提到的需求是不可能被全部满足的，除非将来哪天存储技术有颠覆性的突破。

存储器分级策略

既然我们不能用一块存储器来解决所有的需求，那就必须把需求分级。

一种可行的方案，就是根据数据的使用频率使用不同的存储器：高频使用的数据，读写越快越好，因此用最贵的材料，放到离 CPU 最近的位置；使用频率越低的数据，我们放到离 CPU 越远的位置，用越便宜的材料。

寄存器；L1-Cache；L2-Cache；L3-Cahce；内存；硬盘/SSD。

寄存器（Register）

寄存器紧挨着 CPU 的控制单元和逻辑计算单元，它所使用的材料速度也是最快的。就像我们前面讲到的，存储器的速度越快、能耗越高、产热越大，而且花费也是最贵的，因此数量不能很多。

寄存器的数量通常在几十到几百之间，每个寄存器可以用来存储一定字节（byte）的数据。比如：

32 位 CPU 中大多数寄存器可以存储 4 个字节； 64 位 CPU 中大多数寄存器可以存储 8 个字节。

寄存机的访问速度非常快，一般要求在半个 CPU 时钟周期内完成读写。比如一条要在 4 个周期内完成的指令，除了读写寄存器，还需要解码指令、控制指令执行和计算。如果寄存器的速度太慢，那 4 个周期就可能无法完成这条指令了。

L1-Cache

L1- 缓存在 CPU 中，相比寄存器，虽然它的位置距离 CPU 核心更远，但造价更低。通常 L1-Cache 大小在几十 Kb 到几百 Kb 不等，读写速度在 2~4 个 CPU 时钟周期。

L2-Cache

L2- 缓存也在 CPU 中，位置比 L1- 缓存距离 CPU 核心更远。它的大小比 L1-Cache 更大，具体大小要看 CPU 型号，有 2M 的，也有更小或者更大的，速度在 10~20 个 CPU 周期。

L3-Cache

L3- 缓存同样在 CPU 中，位置比 L2- 缓存距离 CPU 核心更远。大小通常比 L2-Cache 更大，读写速度在 20~60 个 CPU 周期。L3 缓存大小也是看型号的，比如 i9 CPU 有 512KB L1 Cache；有 2MB L2 Cache； 有16MB L3 Cache。

内存

内存的主要材料是半导体硅，是插在主板上工作的。因为它的位置距离 CPU 有一段距离，所以需要用总线和 CPU 连接。因为内存有了独立的空间，所以体积更大，造价也比上面提到的存储器低得多。现在有的个人电脑上的内存是 16G，但有些服务器的内存可以到几个 T。内存速度大概在 200~300 个 CPU 周期之间。

SSD 和硬盘

SSD、内存和 L1 Cache 相比速度差多少倍？

因为内存比 SSD 快 10~1000 倍，L1 Cache 比内存快 100 倍左右。因此 L1 Cache 比 SSD 快了 1000~100000 倍。所以你有没有发现 SSD 的潜力很大，好的 SSD 已经接近内存了，只不过造价还略高。

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