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電子發燒友網>電子資料下載>電子資料>緩存到底有什么作用

緩存到底有什么作用

2020-12-23 | pdf | 0.71 MB | 次下載 | 2積分

資料介紹

  緩存到底是什么?

  TL 和 DR 很小,但卻非常快并位于 CPU 的邏輯單元旁邊。當然,我們需要了解更多有關緩存的信息

  讓我們從一個虛構的,神奇的存儲系統開始說起。這個存儲系統速度極快,可以一次處理無限的數據,并始終保持數據安全。對它來說甚至不存在任何需要遠程操作的東西,但是如果的確存在,處理器的設計將更加簡單。CPU 僅需要具有用于加法,乘法等的邏輯單元,以及用于處理數據傳輸的系統。這是因為我們的理論存儲系統可以立即發送和接收所需的所有編號;沒有一個邏輯單元會等待數據處理。

  但是,眾所周知,實際上不存在任何上述魔術般的存儲技術。反之,我們擁有硬盤驅動器或固態驅動器,即使其中最好的驅動器也無法遠程處理典型 CPU 所需的所有數據傳輸。原因在于,現代 CPU 的運行速度非常快 - 它們僅需一個時鐘周期即可將兩個 64 位整數值相加,而對于以 4 GHz 運行的 CPU,則僅為 0.00000000025 秒或四分之一納秒。同時,旋轉硬盤驅動器僅需數千納秒即可在內部磁盤上查找數據,更不用說傳輸數據了,而固態驅動器仍需數十或數百納秒。

  顯然,此類驅動器無法內置在處理器中,因此這意味著兩者之間將存在物理隔離。這只會增加數據移動的時間,使情況變得更糟。因此,我們需要的是另一個數據存儲系統,它位于處理器和主存儲之間。它需要比驅動器更快的速度,能夠同時處理大量數據傳輸,并且離處理器更近一些。

  如今它已成為現實,叫做 RAM。每個計算機系統都有一些用于上述目的的裝置。而幾乎所有這類存儲都是 DRAM(動態隨機存取存儲器),它能夠比任何驅動器更快地傳輸數據。但是,盡管 DRAM 速度極快,但它無法存儲盡可能多的數據。美光公司是 DRAM 的少數制造商之一,其中一些最大的 DDR4 存儲器芯片可容納 32 Gbit 或 4 GB 數據。最大的硬盤驅動器的容量是此容量的 4000 倍。因此,盡管我們提高了數據網絡的速度,但仍需要附加系統(硬件和軟件),以便確定應將哪些數據保留在有限數量的 DRAM 中,以備 CPU 使用。或者至少可以將 DRAM 置于芯片封裝中(稱為嵌入式 DRAM)。不過,CPU 很小,所以您不能在其中塞太多。絕大多數 DRAM 位于處理器旁邊(插入主板)。在計算機系統中,它始終是最接近 CPU 的組件。然而,這還是不夠快。 DRAM 仍需要約 100 納秒的時間才能找到數據,但至少每秒可以傳輸數十億比特。看來我們需要另一級存儲器,才能進入處理器單元和 DRAM 之間。左級輸入:SRAM(靜態隨機存取存儲器)。在 DRAM 使用微觀電容器以電荷形式存儲數據的情況下,SRAM 使用晶體管做同樣的事情,并且它們的工作速度幾乎與處理器中的邏輯單元一樣快(大約比 DRAM 快 10 倍)。當然,SRAM 有一個缺點,那就是空間。基于晶體管的內存比 DRAM 占用更多的空間:對于相同大小的 4 GB DDR4 芯片,您將獲得不到 100 MB 的 SRAM。但是,由于它是通過與創建 CPU 相同的過程制成的,因此 SRAM 可以直接在處理器內部構建,并盡可能靠近邏輯單元。每增加一個環節,我們就增加了數據移動的速度,從而增加了存儲量。我們可以繼續添加更多的環節,每個環節更快但簡潔。因此,我們對高速緩存下了一個更為專業的定義:它是全部位于處理器內部的多個 SRAM 塊,通過以超快的速度發送和存儲數據來確保邏輯單元保持盡可能繁忙。對這個定義滿意嗎?很好 - 因為從現在開始它將變得更加復雜!

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