缓存到底有什么作用

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上传日期: 2020-12-23

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标签:DRAM(1320)驱动器(4007)

缓存到底是什么?

TL和DR很小,但却非常快并位于CPU的逻辑单元旁边。当然,我们需要了解更多有关缓存的信息。

让我们从一个虚构的,神奇的存储系统开始说起。这个存储系统速度极快,可以一次处理无限的数据,并始终保持数据安全。对它来说甚至不存在任何需要远程操作的东西,但是如果的确存在,处理器的设计将更加简单。CPU仅需要具有用于加法,乘法等的逻辑单元,以及用于处理数据传输的系统。这是因为我们的理论存储系统可以立即发送和接收所需的所有编号;没有一个逻辑单元会等待数据处理。

但是,众所周知,实际上不存在任何上述魔术般的存储技术。反之,我们拥有硬盘驱动器或固态驱动器,即使其中最好的驱动器也无法远程处理典型CPU所需的所有数据传输。原因在于,现代CPU的运行速度非常快-它们仅需一个时钟周期即可将两个64位整数值相加,而对于以4GHz运行的CPU,则仅为0.00000000025秒或四分之一纳秒。同时,旋转硬盘驱动器仅需数千纳秒即可在内部磁盘上查找数据,更不用说传输数据了,而固态驱动器仍需数十或数百纳秒。

显然,此类驱动器无法内置在处理器中,因此这意味着两者之间将存在物理隔离。这只会增加数据移动的时间,使情况变得更糟。因此,我们需要的是另一个数据存储系统,它位于处理器和主存储之间。它需要比驱动器更快的速度,能够同时处理大量数据传输,并且离处理器更近一些。

如今它已成为现实,叫做RAM。每个计算机系统都有一些用于上述目的的装置。而几乎所有这类存储都是DRAM(动态随机存取存储器),它能够比任何驱动器更快地传输数据。但是,尽管DRAM速度极快,但它无法存储尽可能多的数据。美光公司是DRAM的少数制造商之一,其中一些最大的DDR4存储器芯片可容纳32Gbit或4GB数据。最大的硬盘驱动器的容量是此容量的4000倍。因此,尽管我们提高了数据网络的速度,但仍需要附加系统(硬件和软件),以便确定应将哪些数据保留在有限数量的DRAM中,以备CPU使用。或者至少可以将DRAM置于芯片封装中(称为嵌入式DRAM)。不过,CPU很小,所以您不能在其中塞太多。绝大多数DRAM位于处理器旁边(插入主板)。在计算机系统中,它始终是最接近CPU的组件。然而,这还是不够快。DRAM仍需要约100纳秒的时间才能找到数据,但至少每秒可以传输数十亿比特。看来我们需要另一级存储器,才能进入处理器单元和DRAM之间。左级输入:SRAM(静态随机存取存储器)。在DRAM使用微观电容器以电荷形式存储数据的情况下,SRAM使用晶体管做同样的事情,并且它们的工作速度几乎与处理器中的逻辑单元一样快(大约比DRAM快10倍)。当然,SRAM有一个缺点,那就是空间。基于晶体管的内存比DRAM占用更多的空间:对于相同大小的4GBDDR4芯片,您将获得不到100MB的SRAM。但是,由于它是通过与创建CPU相同的过程制成的,因此SRAM可以直接在处理器内部构建,并尽可能靠近逻辑单元。每增加一个环节,我们就增加了数据移动的速度,从而增加了存储量。我们可以继续添加更多的环节,每个环节更快但简洁。因此,我们对高速缓存下了一个更为专业的定义:它是全部位于处理器内部的多个SRAM块,通过以超快的速度发送和存储数据来确保逻辑单元保持尽可能繁忙。对这个定义满意吗?很好-因为从现在开始它将变得更加复杂!

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