摄影网站排行榜前十名,网站开发需要学什么技能,群晖搭建的wordpress外网访问,ftp免费注册网站来源 | 小林coding责编 | 寇雪芹头图 | 下载于视觉中国前言大家如果想自己组装电脑的话#xff0c;肯定需要购买一个 CPU#xff0c;但是存储器方面的设备#xff0c;分类比较多#xff0c;那我们肯定不能只买一种存储器#xff0c;比如你除了要买内存#xff0c;还要买硬… 来源 | 小林coding责编 | 寇雪芹头图 | 下载于视觉中国前言大家如果想自己组装电脑的话肯定需要购买一个 CPU但是存储器方面的设备分类比较多那我们肯定不能只买一种存储器比如你除了要买内存还要买硬盘而针对硬盘我们还可以选择是固态硬盘还是机械硬盘。相信大家都知道内存和硬盘都属于计算机的存储设备断电后内存的数据是会丢失的而硬盘则不会因为硬盘是持久化存储设备同时也是一个 I/O 设备。但其实 CPU 内部也有存储数据的组件这个应该比较少人注意到比如寄存器、CPU L1/L2/L3 Cache 也都是属于存储设备只不过它们能存储的数据非常小但是它们因为靠近 CPU 核心所以访问速度都非常快快过硬盘好几个数量级别。问题来了那机械硬盘、固态硬盘、内存这三个存储器到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢在回答这个问题之前我们先来看看「存储器的层次结构」好让我们对存储器设备有一个整体的认识。存储器的层次结构我们想象中一个场景大学期末准备考试了你前去图书馆临时抱佛脚。那么在看书的时候我们的大脑会思考问题也会记忆知识点另外我们通常也会把常用的书放在自己的桌子上当我们要找一本不常用的书则会去图书馆的书架找。就是这么一个小小的场景已经把计算机的存储结构基本都涵盖了。我们可以把 CPU 比喻成我们的大脑大脑正在思考的东西就好比 CPU 中的寄存器处理速度是最快的但是能存储的数据也是最少的毕竟我们也不能一下同时思考太多的事情除非你练过。我们大脑中的记忆就好比 CPU Cache中文称为 CPU 高速缓存处理速度相比寄存器慢了一点但是能存储的数据也稍微多了一些。CPU Cache 通常会分为 L1、L2、L3 三层其中 L1 Cache 通常分成「数据缓存」和「指令缓存」L1 是距离 CPU 最近的因此它比 L2、L3 的读写速度都快、存储空间都小。我们大脑中短期记忆就好比 L1 Cache而长期记忆就好比 L2/L3 Cache。寄存器和 CPU Cache 都是在 CPU 内部跟 CPU 挨着很近因此它们的读写速度都相当的快但是能存储的数据很少毕竟 CPU 就这么丁点大。知道 CPU 内部的存储器的层次分布我们放眼看看 CPU 外部的存储器。当我们大脑记忆中没有资料的时候可以从书桌或书架上拿书来阅读那我们桌子上的书就好比内存我们虽然可以一伸手就可以拿到但读写速度肯定远慢于寄存器那图书馆书架上的书就好比硬盘能存储的数据非常大但是读写速度相比内存差好几个数量级更别说跟寄存器的差距了。我们从图书馆书架取书把书放到桌子上再阅读书我们大脑就会记忆知识点然后再经过大脑思考这一系列过程相当于数据从硬盘加载到内存再从内存加载到 CPU 的寄存器和 Cache 中然后再通过 CPU 进行处理和计算。对于存储器它的速度越快、能耗会越高、而且材料的成本也是越贵的以至于速度快的存储器的容量都比较小。CPU 里的寄存器和 Cache是整个计算机存储器中价格最贵的虽然存储空间很小但是读写速度是极快的而相对比较便宜的内存和硬盘速度肯定比不上 CPU 内部的存储器但是能弥补存储空间的不足。存储器通常可以分为这么几个级别寄存器CPU CacheL1-CacheL2-CacheL3-Cahce内存SSD/HDD 硬盘 寄存器最靠近 CPU 的控制单元和逻辑计算单元的存储器就是寄存器了它使用的材料速度也是最快的因此价格也是最贵的那么数量不能很多。存储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的字节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。寄存器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CPU 时钟周期跟 CPU 主频息息相关比如 2 GHz 主频的 CPU那么它的时钟周期就是 1/2G也就是 0.5ns纳秒。CPU 处理一条指令的时候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则会拉长指令的处理周期从而给用户的感觉就是电脑「很慢」。 CPU CacheCPU Cache 用的是一种叫 SRAMStatic Random-Access Memory静态随机存储器 的芯片。SRAM 之所以叫「静态」存储器是因为只要有电数据就可以保持存在而一旦断电数据就会丢失了。在 SRAM 里面一个 bit 的数据通常需要 6 个晶体管所以 SRAM 的存储密度不高同样的物理空间下能存储的数据是有限的不过也因为 SRAM 的电路简单所以访问速度非常快。CPU 的高速缓存通常可以分为 L1、L2、L3 这样的三层高速缓存也称为一级缓存、二次缓存、三次缓存。 L1 高速缓存L1 高速缓存的访问速度几乎和寄存器一样快通常只需要 2~4 个时钟周期而大小在几十 KB 到几百 KB 不等。每个 CPU 核心都有一块属于自己的 L1 高速缓存指令和数据在 L1 是分开存放的所以 L1 高速缓存通常分成指令缓存和数据缓存。在 Linux 系统我们可以通过这条命令查看 CPU 里的 L1 Cache 「数据」缓存的容量大小$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index0/size
32K而查看 L1 Cache 「指令」缓存的容量大小则是$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index1/size
32K L2 高速缓存L2 高速缓存同样每个 CPU 核心都有但是 L2 高速缓存位置比 L1 高速缓存距离 CPU 核心 更远它大小比 L1 高速缓存更大CPU 型号不同大小也就不同通常大小在几百 KB 到几 MB 不等访问速度则更慢速度在 10~20 个时钟周期。在 Linux 系统我们可以通过这条命令查看 CPU 里的 L2 Cache 的容量大小$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index2/size
256K L3 高速缓存L3 高速缓存通常是多个 CPU 核心共用的位置比 L2 高速缓存距离 CPU 核心 更远大小也会更大些通常大小在几 MB 到几十 MB 不等具体值根据 CPU 型号而定。访问速度相对也比较慢一些访问速度在 20~60个时钟周期。在 Linux 系统我们可以通过这条命令查看 CPU 里的 L3 Cache 的容量大小$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index3/size
3072K 内存内存用的芯片和 CPU Cache 有所不同它使用的是一种叫作 DRAM Dynamic Random Access Memory动态随机存取存储器 的芯片。相比 SRAMDRAM 的密度更高功耗更低有更大的容量而且造价比 SRAM 芯片便宜很多。DRAM 存储一个 bit 数据只需要一个晶体管和一个电容就能存储但是因为数据会被存储在电容里电容会不断漏电所以需要「定时刷新」电容才能保证数据不会被丢失这就是 DRAM 之所以被称为「动态」存储器的原因只有不断刷新数据才能被存储起来。DRAM 的数据访问电路和刷新电路都比 SRAM 更复杂所以访问的速度会更慢内存速度大概在 200~300 个 时钟周期之间。 SSD/HDD 硬盘SSDSolid-state disk 就是我们常说的固体硬盘结构和内存类似但是它相比内存的优点是断电后数据还是存在的而内存、寄存器、高速缓存断电后数据都会丢失。内存的读写速度比 SSD 大概快 10~1000 倍。当然还有一款传统的硬盘也就是机械硬盘Hard Disk Drive, HDD它是通过物理读写的方式来访问数据的因此它访问速度是非常慢的它的速度比内存慢 10W 倍左右。由于 SSD 的价格快接近机械硬盘了因此机械硬盘已经逐渐被 SSD 替代了。存储器的层次关系现代的一台计算机都用上了 CPU Cahce、内存、到 SSD 或 HDD 硬盘这些存储器设备了。其中存储空间越大的存储器设备其访问速度越慢所需成本也相对越少。CPU 并不会直接和每一种存储器设备直接打交道而是每一种存储器设备只和它相邻的存储器设备打交道。比如CPU Cache 的数据是从内存加载过来的写回数据的时候也只写回到内存CPU Cache 不会直接把数据写到硬盘也不会直接从硬盘加载数据而是先加载到内存再从内存加载到 CPU Cache 中。所以每个存储器只和相邻的一层存储器设备打交道并且存储设备为了追求更快的速度所需的材料成本必然也是更高也正因为成本太高所以 CPU 内部的寄存器、L1\L2\L3 Cache 只好用较小的容量相反内存、硬盘则可用更大的容量这就我们今天所说的存储器层次结构。另外当 CPU 需要访问内存中某个数据的时候如果寄存器有这个数据CPU 就直接从寄存器取数据即可如果寄存器没有这个数据CPU 就会查询 L1 高速缓存如果 L1 没有则查询 L2 高速缓存L2 还是没有的话就查询 L3 高速缓存L3 依然没有的话才去内存中取数据。所以存储层次结构也形成了缓存的体系。存储器之间的实际价格和性能差距前面我们知道了速度越快的存储器造价成本往往也越高那我们就以实际的数据来看看不同层级的存储器之间的性能和价格差异。下面这张表格是不同层级的存储器之间的成本对比图你可以看到 L1 Cache 的访问延时是 1 纳秒而内存已经是 100 纳秒了相比 L1 Cache 速度慢了 100 倍。另外机械硬盘的访问延时更是高达 10 毫秒相比 L1 Cache 速度慢了 10000000 倍差了好几个数量级别。在价格上每生产 MB 大小的 L1 Cache 相比内存贵了 466 倍相比机械硬盘那更是贵了 175000 倍。我在某东逛了下各个存储器设备的零售价8G 内存 1T 机械硬盘 256G 固态硬盘的总价格都不及一块 Intle i5-10400 的 CPU 的价格这款 CPU 的高速缓存的总大小也就十多 MB。总结各种存储器之间的关系可以用我们在图书馆学习这个场景来理解。CPU 可以比喻成我们的大脑我们当前正在思考和处理的知识的过程就好比 CPU 中的寄存器处理数据的过程速度极快但是容量很小。而 CPU 中的 L1-L3 Cache 好比我们大脑中的短期记忆和长期记忆需要小小花费点时间来调取数据并处理。我们面前的桌子就相当于内存能放下更多的书数据但是找起来和看起来就要花费一些时间相比 CPU Cache 慢不少。而图书馆的书架相当于硬盘能放下比内存更多的数据但找起来就更费时间了可以说是最慢的存储器设备了。从 寄存器、CPU Cache到内存、硬盘这样一层层下来的存储器访问速度越来越慢存储容量越来越大价格也越来越便宜而且每个存储器只和相邻的一层存储器设备打交道于是这样就形成了存储器的层次结构。再来回答开头的问题那机械硬盘、固态硬盘、内存这三个存储器到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢CPU L1 Cache 随机访问延时是 1 纳秒内存则是 100 纳秒所以 CPU L1 Cache 比内存快 100 倍左右。SSD 随机访问延时是 150 微秒所以 CPU L1 Cache 比 SSD 快 150000 倍左右。最慢的机械硬盘随机访问延时已经高达 10 毫秒我们来看看机械硬盘到底有多「龟速」SSD 比机械硬盘快 70 倍左右内存比机械硬盘快 100000 倍左右即 10W 倍CPU L1 Cache 比机械硬盘快 10000000 倍左右即 1000W倍我们把上述的时间比例差异放大后就能非常直观感受到它们的性能差异了。如果 CPU 访问 L1 Cache 的缓存时间是 1 秒那访问内存则需要大约 2 分钟随机访问 SSD 里的数据则需要 1.7 天访问机械硬盘那更久长达近 4 个月。可以发现不同的存储器之间性能差距很大构造存储器分级很有意义分级的目的是要构造缓存体系。福 利CSDN给大家发压岁钱啦2月4日到2月11日每天上午11点价值198元的芒果TV年卡价值99元的CSDN月卡现金红包CSDN电子书月卡等奖品大放送百分百中奖电脑端点击链接参与https://t.csdnimg.cn/gAkN更多阅读推荐云原生人物志|Pulsar翟佳社区的信任最重要云原生时代的流水线框架 Argo阿里的 RocketMQ 如何让双十一峰值之下0故障从 Serverfull 到 Serverless发生了什私有云OS赛道反而越开放越好乱中有变云原生从“大爆发”说起
