解读片上RAM和外部RAM访问速度的差异问题

　　有些人不明白为什么片上RAM和外部RAM访问速度有差异？为什么CPU访问外部RAM速度慢，其实先要知道原因，最关键的是要懂得总线的知识。

　　有些技术，比如总线，看起来它和一般程序员关系不大。但它却串联起很多问题：为什么片上RAM和外部RAM访问速度有差异；为什么CPU访问外部RAM速度慢；为什么访问IO设备更慢；为什么CPU访问cache比外部RAM快？

　　背景

　　总线是一组、多条信号线，是计算机中多个模块间（如CPU、内存、外设等）的通讯信路；

　　每根信号线上传输变化的0/1信号；

　　信号收发双方必须以某种方式（如一根时钟信号线）同步，以正确传递和解析这些信号；

　　信号变化的频率大致决定总线上数据传输速率，随着工艺的进步，总线频率不断提高，带宽不断增加，但和CPU一样有极限，因为频率越高，信号线间干扰越严重；

　　内存受自身及其控制器工艺所限，也有访问速度限制，CPU访问内存速度=min（总线，内存）；

　　外围设备速度很慢，或者说数据量很小，如串口/鼠标/键盘等。

　　发展过程

　　下面让我们跟着历史的脚步看看总线的发展历程，理解今天复杂的总线是怎样出现的。

　　a.公共总线

　　早期PC中，CPU/RAM/IO都挂在一条总线上，即所有部件都被限定在同一个时钟频率下工作，这样整个系统不得不去迁就跑得最慢的外围IO设备，整体速度等于系统中最慢的设备的速度，系统性能无法提高。

　　b. I/O总线

　　“所有计算机科学中的问题都能通过增加一个中间转换层来解决”，人们自然想到这把万能钥匙，于是把高/低速设备分组，各自用高/低速总线连接，即CPU和内存连接在高速的内部总线上，外围慢速的IO设备就挂在慢速I/O总线上。这样I/O总线最早分离出去，与内部总线工作在不同时钟频率上，之间通过一个被称为bridge的器件匹配连接，bridge起降频作用。

　　这时CPU摆脱了低速I/O设备的束缚，访问RAM的速度大大提高。

　　c.倍频出世

　　再后来，CPU发展迅猛，频率大幅攀升，内存逐渐跟不上CPU，让内存和CPU工作于同一总线频率就浪费了CPU的性能。人们又类似地引入了倍频的概念，即在CPU与原先内部总线间引入一个倍频器，内存依旧工作在原内部总线频率，而CPU工作频率（主频）变成外频（内存总线频率）*倍频。

　　这样CPU内部访问寄存器以及运算的速度不再受内存速度的拖累。

　　总结

　　至此就可以回答最初几个问题。

　　a. CPU访问外部RAM要经过降频后的总线，有总线瓶颈，所以慢；

　　b.cache属于片上RAM，工作于CPU频率，访问它不需要经过降频后的内存总线，所以速度快；

　　c.访问I/O低速设备要经过更慢的I/O总线，所以性能最差。

　　目前计算机整体基本还是CPU/内存（高速）总线/IO（低速）总线几个级别，整体性能大概可用下面公式表达：总时间=∑（CPU片内工作量/cpu频率）+∑（内存等高速设备访问量/内存总线频率）+∑（I/O设备访问/IO总线频率）。因此围绕总线的演化趋势就是：

　　a.不断把各种设备按速度分组，细化出各种子总线并桥接在系统的高速或低速总线上；

　　b.不断提高高速总线带宽，并尽量把对低速区的访问缓存在高速区，如CPU cache和磁盘文件的内存缓冲。

　　以上或许在细节上不准确，但可以作为基础去理解软件的相关问题。