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突破计算机性能瓶颈的利器CPU Cache

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发表于 4 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
  • 计算机性能的瓶颈
  • 缓存及其发展历史
  • 缓存如何弥补CPU与内存的性能差异?
  • 尾语

    大家好,我是呼噜噜,今天我们来介绍计算机的储存器之一,CPU高速缓冲存储器也叫高速缓存,CPU Cache
    缓存这个专业术语,在计算机世界中是经常使用到的。它并不是CPU所独有的,比如cdn缓存网站信息,浏览器缓存网页的图像视频等,但本文讲述的是狭义Cache,主要指的是CPU Cache,本文将其简称为"缓存"或者"Cache"
    计算机性能的瓶颈在冯诺依曼架构下,计算机存储器是分层次的,存储器的层次结构如下图所示,是一个金字塔形状的东西。从上到下依次是寄存器、缓存、主存(内存)、硬盘等等

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    离CPU越近的存储器,访问速度越来越快,容量越来越小,每字节的成本也越来越昂贵
    比如一个主频为3.0GHZ的CPU,寄存器的速度最快,可以在1个时钟周期内访问,一个时钟周期(CPU中基本时间单位)大约是0.3纳秒,内存访问大约需要120纳秒,固态硬盘访问大约需要50-150微秒,机械硬盘访问大约需要1-10毫秒,最后网络访问最慢,得几十毫秒左右。
    这个大家可能对时间不怎么直观,那如果我们把一个时钟周期如果按1秒算的话,那寄存器访问大约是1s,内存访问大约就是6分钟 ,固态硬盘大约是2-6天 ,传统硬盘大约是1-12个月,网络访问就得几年了!我们可以发现CPU的速度和内存等存储器的速度,完全不是一个量级上的。

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    电子计算机刚出来的时候,其实CPU是没有缓存Cache的,那个时候的CPU主频很低,甚至没有内存高,CPU都是直接读写内存的
    随着时代的发展,技术的革新,从1980年代开始,差距开始迅速扩大,CPU的速度远远超过内存的速度,在冯诺依曼架构下,CPU访问内存的速度也就成了计算机性能的瓶颈!!!
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