Memory Hierarchy-计算机各级存储器速度对比
这篇文章是抄自亚嵌的教材，觉得不错，分享一下。
由于硬件技术的限制，我们可以制造出容量很小但很快的存储器，也可以制造出容量很大但很慢的存储器，但不可能两边的好处都占着，不可能制造出访问速度又快容量又大的存储器。因此，现代计算机都把存储器分成若干级，称为Memory Hierarchy，按照离CPU由近到远的顺序依次是CPU寄存器、Cache、内存、硬盘，越靠近CPU的存储器容量越小但访问速度越快，下图给出了各种存储器的容量和访问速度的典型值。
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存储器类型 |
位于哪里 |
存储容量 |
半导体工艺 |
访问时间 |
如何访问 |
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CPU寄存器 |
位于CPU执行单元中。 |
CPU寄存器通常只有几个到几十个，每个寄存器的容量取决于CPU的字长，所以一共只有几十到几百字节。 |
“寄存器”这个名字就是一种数字电路的名字，它由一组触发器（Flip-flop）组成，每个触发器保存一个Bit的数据，可以做存取和移位等操作。计算机掉电时寄存器中保存的数据会丢失。 |
寄存器是访问速度最快的存储器，典型的访问时间是几纳秒。 |
使用哪个寄存器，如何使用寄存器，这些都是由指令决定的。 |
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Cache |
和MMU一样位于CPU核中。 |
Cache通常分为几级，最典型的是如上图所示的两级Cache，一级Cache更靠近CPU执行单元，二级Cache更靠近物理内存，通常一级Cache有几十到几百KB，二级Cache有几百KB到几MB。 |
Cache和内存都是由RAM（RandomAccessMemory）组成的，可以根据地址随机访问，计算机掉电时RAM中保存的数据会丢失。不同的是，Cache通常由SRAM（StaticRAM，静态RAM）组成，而内存通常由DRAM（DynamicRAM，动态RAM）组成。DRAM电路比SRAM简单，存储容量可以做得更大，但DRAM的访问速度比SRAM慢。 |
典型的访问时间是几十纳秒。 |
Cache缓存最近访问过的内存数据，由于Cache的访问速度是内存的几十倍，所以有效地利用Cache可以大大提高计算机的整体性能。一级Cache是这样工作的：CPU执行单元要访问内存时首先发出VA，Cache利用VA查找相应的数据有没有被缓存，如果Cache中有就不需要访问物理内存了，是读操作就直接将Cache中的数据传给CPU寄存器，是写操作就直接在Cache中改写数据；如果Cache中没有，就去物理内存中取数据，但并不是要哪个字节就取哪个字节，而是把相邻的几十个字节都取上来缓存着，以备下次用到，这称为一个Cache Line，典型的CacheLine大小是32~256字节。如果计算机还配置了二级缓存，则在访问物理内存之前先用PA去二级缓存中查找。一级缓存是用VA寻址的，二级缓存是用PA寻址的，这是它们的区别。Cache所做的工作是由硬件自动完成的，而不是像寄存器一样由指令决定先做什么后做什么。 |
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内存 |
位于CPU外的芯片，与CPU通过地址和数据总线相连。 |
典型的存储容量是几百MB到几GB。 |
由DRAM组成，详见上面关于Cache的说明。 |
典型的访问时间是几百纳秒。 |
内存是通过地址来访问的，但是在启用MMU的情况下，程序指令中的地址是VA，而访问内存用的是PA，并无直接关系，这种情况下内存的分配和使用由操作系统通过修改MMU的映射项来协调。 |
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硬盘 |
位于设备总线上，并不直接和CPU相连，CPU通过设备总线的控制器访问硬盘。 |
典型的存储容量是几百GB。 |
硬盘由磁性介质和磁头组成，访问硬盘时存在机械运动，磁头要移动，磁性介质要旋转，机械运动的速度很难提高到电子的速度，所以访问速度很受限制。但是保存在硬盘上的数据掉电后不会丢失。 |
典型的访问时间是几毫秒，是寄存器的106倍。 |
由驱动程序操作设备总线控制器去访问。由于硬盘的访问速度较慢，操作系统通常在一次从硬盘上读几个页面（典型值是4KB）到内存中缓存起来，如果这些数据后来都被程序访问到了，那么这一次硬盘访问的时间就可以分摊（Amortize）给多次数据访问了。 |
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