简述存储器的分级策略

为什么存储器会有分级策略？

对于存储器，我们都希望它能够速度更快、体积更小、容量更大、造价更便宜，但是这几个需求往往是相互矛盾的，所以我们需要将需求分级，使用频率越高的数据，读写越快越好，因此用最贵的材料，放到离 CPU 最近的位置；使用频率越低的数据，用越便宜的材料，放到离 CPU 越远的位置。

存储器的分级策略

存储器通常可以分为以下四级：寄存器、高速缓存、内存、SSD/硬盘/磁盘

寄存器 Register

寄存器紧挨着 CPU 的控制单元和逻辑计算单元。寄存器的访问速度非常快（用和 CPU 一样的材料制成，所以和 CPU 一样快），一般要求在半个 CPU 时钟周期内完成读写。比如一条要在 4 个周期内完成的指令，除了读写寄存器，还需要解码指令、控制指令执行和计算。如果寄存器的速度太慢，那 4 个周期就可能无法完成这条指令了。

每个寄存器可以用来存储一定字节（byte）的数据。比如：

• 32 位 CPU 中大多数寄存器可以存储 4 个字节
• 64 位 CPU 中大多数寄存器可以存储 8 个字节

高速缓存 Cache

Cache 是计算机中的一个高速小容量存储器，其中存放的是 CPU 近期要执行的指令和数据，其存取速度可以和 CPU 的速度匹配，一般采用静态 RAM 充当 Cache。CPU 的速度受制于内存的存取速度，为了解决 CPU 和内存速度不匹配的问题，在 CPU 和内存之间设置了高速缓冲存储器 Cache。

Cache 还分为L1-Cache、L2-Cache、L3-Cache等，它们依次距离CPU越远，造价更低、存储容量更大、读写速度更慢。

内存

内存的主要材料是半导体硅，是插在主板上工作的。因为它的位置距离 CPU 有一段距离，所以需要用总线和 CPU 连接。因为内存有了独立的空间，所以体积更大，造价也比上面提到的存储器低得多。现在有的个人电脑上的内存是 16G，但有些服务器的内存可以到几个 T。内存速度大概在 200~300 个 CPU 周期之间。

所有不能在高速缓存中得到满足的内存访问请求都会转往主存中。

SSD 和硬盘

SSD（Solid-State Driver/Disk） 也叫固态硬盘，结构和内存类似，但是它的优点在于断电后数据还在。内存、寄存器、缓存断电后数据就消失了。内存的读写速度比 SSD 大概快 10~1000 倍。以前还有一种物理读写的磁盘，也叫作硬盘或机械硬盘，它的速度比内存慢 100W 倍左右。因为它的速度太慢，现在已经逐渐被 SSD 替代。

各级存储器之间的关系

SSD/硬盘是用于存储数据的，且断电后数据仍然存在。我们安装在电脑上的应用和存储在本地的文件，在关机或停电后，并不会消失。

内存、高速缓存、寄存器不是用于存储数据的，其中的数据在断电后就会消失（不完全是这样，像内存中的ROM和闪存等），它们主要是用于加快CPU速度的。CPU的速度大致可以分为两类，处理数据+读写数据，其中读写数据的速度会受制于存储器的速度，所以像开头提到的，我们需要将存储器分级为寄存器、高速缓存、内存，依次具有更快的速度、离CPU更近，但也具有更小的存储空间、更高的价格。

当 CPU 需要内存中某个数据的时候，会依次向寄存器、高速缓存、内存请求数据。如果寄存器中有这个数据，则可以直接使用；否则就要依次查询高速缓存中的 L1、L2、L3 缓存；如果都没有数据，再去内存中拿。