操作系统--存储器

一、存储器的层次结构

存储器通常可以分为这么几个级别：

• 寄存器；
• CPU Cache；
  1. L1-Cache；
  2. L2-Cache；
  3. L3-Cahce；
• 内存；
• SSD/HDD 硬盘

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。

1.寄存器

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的字节的数据。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）。

2.CPU Cache

CPU Cache 用的是一种叫 SRAM（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。

L1 高速缓存（一级缓存）

• 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
• 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

L2 高速缓存（二级缓存）

• L2 高速缓存访问速度更慢，大小更大，位置距离 CPU 核心 更远
• 速度在 10~20 个时钟周期，通常大小在几百 KB 到几 MB 不等
• 每个 CPU 核心都有

L3 高速缓存（三级缓存）

• 访问速度相对也比较慢一些，大小会更大些，位置也距离 CPU 核心 更远
• 访问速度在 20~60个时钟周期，通常大小在几 MB 到几十 MB 不等
• 多个 CPU 核心共用的

3.内存

内存使用的是一种叫作 DRAM （动态随机存取存储器） 的芯片。

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。

4.SSD/HDD 硬盘

SSD（Solid-state disk） 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。

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。

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二、存储器的层次关系

存储器层次结构

• 每个存储器只和相邻的一层存储器设备打交道
• 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，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

所以，存储层次结构也形成了缓存的体系。

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三、补充

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 比内存快 100 倍左右。

CPU L1 Cache 比 SSD 快 150000 倍左右。

CPU L1 Cache 比机械硬盘快 10000000 倍左右；

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。

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四、参考

小林 coding