5. Memory Hierarchy

硬盘、内存、CPU寄存器,还有本节要讲的Cache,这些都是存储器,计算机为什么要有这么多种存储器呢?这些存储器各自有什么特点?这是本节要讨论的问题。

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。

图 17.8. Memory Hierarchy

Memory Hierarchy

表 17.1. Memory Hierarchy

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
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。
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(Random Access Memory)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(Static RAM,静态RAM)组成,而内存通常由DRAM(Dynamic RAM,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,如果是读操作就直接将Cache中的数据传给CPU寄存器,如果是写操作就直接改写到Cache中;如果Cache没有缓存该数据,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Cache Line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。
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,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,它们之间的映射关系由操作系统维护。
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到几TB。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。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,是寄存器访问时间的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,操作系统通常一次从硬盘上读几个页面到内存中缓存起来,如果这几个页面后来都被程序访问到了,那么这一次读硬盘的时间就可以分摊(Amortize)给程序的多次访问了。

对这个表格总结如下。