存储器分为几种?_存储器分为几种

存储器分为几种?_存储器分为几种一文讲清计算机的存储器架构实际的软件开发过程中,常会遇到服务端请求响应时间长,吞吐率不够。 分析对应问题时,你肯定听过“主要瓶颈不在CPU,而在I/O”,存储很重要。1 存储器的层次结构存储器系统是通过各种不同方法和设备,一层层组合起来的系统。常把CPU比做计算机的“大脑”,思考的东西,好

一文讲清计算机的存储器架构
  实际的软件开发过程中,常会遇到服务端请求响应时间长,吞吐率不够。 分析对应问题时,你肯定听过“主要瓶颈不在CPU,而在I/O”,存储很重要。

  1 存储器的层次结构

  存储器系统是通过各种不同方法和设备,一层层组合起来的系统。

  常把CPU比做计算机的“大脑”,思考的东西,好比CPU的寄存器(Register)。寄存器与其说是存储器,更像是CPU本身一部分,只能存放极有限信息,但速度很快,和CPU同步。

  大脑中的记忆好比CPU Cache(CPU高速缓存,简称为“缓存”)。CPU Cache用的一种SRAM(Static Random-Access Memory,静态随机存取存储器)芯片。

  2 SRAM

  “静态”,因为只要处在通电状态,里面数据就能保持存在。一旦断电,里面数据就丢失。 SRAM里,一个比特数据,需6~8个晶体管。所以SRAM存储密度不高。同样物理空间下,能存储数据有限。但SRAM电路简单,所以访问速度很快。

  6个晶体管组成SRAM的一个比特: 存储器分为几种?_存储器分为几种存储器分为几种?_存储器分为几种

  CPU里通常有L1、L2、L3三层高速缓存。

  每个CPU核心都有一块属于自己的L1高速缓存,通常分成:指令缓存 存放CPU使用的指令数据缓存 存放CPU使用的数据

  这里的指令缓存和数据缓存,就来自哈佛架构。L1 Cache往往嵌在CPU核心内部理解为我们的短期记忆L2 Cache同样是每个CPU核心都有,往往不在CPU核心内部,访问速度比L1稍慢L3 Cache通常是多个CPU核心共用,更大些,访问速度自然更慢些L2/L3 Cache理解成长期记忆

  把内存当成我们拥有的书架。当我们记忆中没有资料时,可从书架拿书翻阅。这过程相当于,数据从内存中加载到CPU的寄存器和Cache中,然后通过“大脑”(CPU),进行处理和运算。

  3 DRAM

  内存用的DRAM(Dynamic Random Access Memory,动态随机存取存储器)芯片,比SRAM密度更高,有更大容量,比SRAM芯片便宜。

  “动态”,因为需靠不断“刷新”,才能保持数据被存储。DRAM的一个比特,只需一个晶体管、一个电容就能存储。所以,DRAM在同样物理空间下,能存储数据更多,即存储“密度”更大。但数据存在电容,电容会不断漏电,所以需定时刷新充电,才能保持数据不丢失。DRAM的数据访问电路和刷新电路都比SRAM更复杂,访问延时更长。

  4 存储器的层级结构

  整个存储器的层次结构都类似SRAM和DRAM在性能、价格差异:SRAM更贵,速度更快像大脑中的记忆DRAM更便宜,容量更大像属于我们自己的书桌

  大脑(CPU)中的记忆(L1 Cache),不仅受成本限制,更受物理限制,好比L1 Cache不仅昂贵,其访问速度和它到CPU的物理距离有关。芯片越大,总有部分离CPU的距离会变远。电信号的传输速度又受物理限制,没法超过光速。所以想要快,并非靠多花钱就能解决。

  书房(即内存)空间有限,无法放下所有书(即数据)。若想扩大空间,相当于要多买几平方房子,成本很高。于是,想要放下更多书,就要寻找廉价方案。即公共图书馆,对内存来说:SSD(Solid-state drive或Solid-state disk,固态硬盘)HDD(Hard Disk Drive,硬盘)

  这些被称为硬盘的外部存储设备,即公共图书馆。于是,就可去家附近图书馆借书。图书馆有更多空间(存储空间)和更多书(数据)。

  而HDD则是一种完全符合“磁盘”名字的传统硬件。“磁盘”硬件结构决定它的访问速度受限于物理结构,最慢。

  存储器层次关系图

  存储器分为几种?_存储器分为几种存储器分为几种?_存储器分为几种

  从Cache、内存,到SSD和HDD硬盘。容量越小的设备速度越快,而且,CPU并不是直接和每一种存储器设备打交道,而是每一种存储器设备,只和它相邻的存储设备打交道。比如,CPU Cache是从内存里加载而来的,或者需要写回内存,并不会直接写回数据到硬盘,也不会直接从硬盘加载数据到CPU Cache中,而是先加载到内存,再从内存加载到Cache中。

  这样,各个存储器只和相邻的一层存储器打交道,并且随着一层层向下,存储器的容量逐层增大,访问速度逐层变慢,而单位存储成本也逐层下降,也就构成了我们日常所说的存储器层次结构。

  5 权衡价格和性能?

  存储器在不同层级之间的性能差异和价格差异,都至少在一个数量级以上。L1 Cache的访问延时是1纳秒(ns),而内存就已经是100纳秒了。在价格上,这两者也差出了400倍。 各种存储器成本的对比表格 存储器分为几种?_存储器分为几种存储器分为几种?_存储器分为几种

  实际在进行电脑硬件配置的时候,会去组合配置各种存储设备。 如,一款入门级的惠普战66的笔记本电脑。今天在京东上的价格是4999人民币 Intle i5-8265U的CPU(这是一块4核的CPU) 这块CPU每个核有32KB,一共128KB的L1指令Cache。 同样,每个核还有32KB,一共128KB的L1数据Cache,指令Cache和数据Cache都是采用8路组相连的放置策略。 每个核有256KB,一共1MB的L2 Cache。L2 Cache是用4路组相连的放置策略。 最后还有一块多个核心共用的12MB的L3 Cache,采用的是12路组相连的放置策略。 8GB的内存 一块128G的SSD硬盘 一块1T的HDD硬盘

  一台实际的计算机里面,越是速度快的设备,容量就越小。这里一共十多兆的Cache,成本只是几十美元。而8GB的内存、128G的SSD以及1T的HDD,大概零售价格加在一起,也就和我们的高速缓存的价格差不多。

  6 总结

  CPU比喻成高速运转的大脑,和大脑同步的寄存器(Register),就存放着当下正在思考和处理的数据。 L1-L3的CPU Cache,好比存放在我们大脑中的短期到长期的记忆。需要小小花费一点时间,就能调取并进行处理。

  书桌书架就好比计算机的内存,能放下更多的书也就是数据,但是找起来和看起来就要慢上不少。 而图书馆更像硬盘这个外存,能够放下更多的数据,找起来也更费时间。 从寄存器、CPU Cache,到内存、硬盘,这样一层层下来的存储器,速度越来越慢,空间越来越大,价格也越来越便宜。

  这三个“越来越”的特性,使得我们在组装计算机的时候,要组合使用各种存储设备。越是快且贵的设备,实际在一台计算机里面的存储空间往往就越小。而越是慢且便宜的设备,在实际组装的计算机里面的存储空间就会越大。参考Peter Novig的Teach Yourself Programming in Ten Years,这些数字随着摩尔定律的发展在不断缩小,但是在数量级上仍然有着很强的参考价值。Jeff Dean的Build Software Systems at Google and Lessons Learned。这份PPT中不仅总结了这些数字,还有大量的硬件故障、高可用和系统架构的血泪经验。

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