计算机基础学习笔记：操作系统篇之硬件结构，存储层次结构

Posted 2022-12-19 adventure.Li

二、存储器的层次结构

本文知识来源小林Coding阅读整理思考，原文链接请见该篇文章

存储层次

• 寄存器
• 高速缓存，Cache 1-3级
• 内存
• 磁盘（SSD，HDD）

关键点

• 各层次的存储的 介质、速度、容量 以及工作层次
• 理解CPU Cache的作用，三级缓存的位置
• 结合软件开发中的性能需求–响应时间，调优工作（追求高性能，很大程度上则体现在响应速度）
• 结合CPU的指令执行周期去理解读取指令过程的时间开销
  

寄存器

速度：n秒级别，容量：byte级别；

组成：由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储1位二进制代码，故存放n位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。

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）。

CPU 处理一条指令的时候，除了读写寄存器，还需要解码指令、控制指令执行和计算。【寄存器的访问速度至关重要】

CPU Cache

速度：ns级别，容量：KB 至MB间

组成：缓存基本上都是采用SRAM存储器，SRAM是英文Static RAM的缩写，它是一种具有静态存取功能的存储器，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。不像DRAM内存那样需要刷新电路，每隔一段时间，固定要对DRAM刷新充电一次，否则内部的数据即会消失。

在 SRAM 里面，一个 bit 的数据，通常需要 6 个晶体管。

注意Cache的层次划分！下图重要！【多个竞争，共用则设计并发控制处理，后续的缓存一致性问题】

L1缓存

速度：2-4个时钟周期；容量：几十KB到几百KB。

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。

L2缓存

速度：10-20个时钟周期；容量：几百KB至MB。

L3缓存

访问速度相对也比较慢一些，访问速度在 20-60个时钟周期，容量：几 MB 到几十 MB 不等

内存

速度：内存速度大概在 200~300个 时钟周期【0._ms】之间 ，容量：GB

采用DRAM存储。

DRAM 存储一个 bit 数据，只需要一个晶体管和一个电容就能存储，但是因为数据会被存储在电容里，电容会不断漏电，所以需要「定时刷新」电容，才能保证数据不会被丢失，这就是 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。

硬盘

内存的读写速度比 SSD 大概快10-1000倍【us级别】，是机械硬盘的10 0000倍【ms级别了】左右。

固态硬盘（Solid State Disk或Solid State Drive，简称SSD），又称固态驱动器，是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘。

固态硬盘的存储介质分为两种：

• 闪存（FLASH芯片）作为存储介质
• DRAM作为存储介质
• 英特尔的XPoint颗粒技术。

机械硬盘即是传统普通硬盘，主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。

磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。信息通过离磁性表面很近的磁头，由电磁流来改变极性方式被电磁流写到磁盘上，信息可以通过相反的方式读取。硬盘作为精密设备，尘埃是其大敌，所以进入硬盘的空气必须过滤。