計算機(jī)二級與三級緩存對存儲速率的影響

摘? 要：計算機(jī)科學(xué)技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在越來越多的技術(shù)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。計算機(jī)的性能影響到了計算機(jī)的工作效率，通過對計算機(jī)二級緩存和三級緩存性能與特點(diǎn)的分析，可以根據(jù)其特點(diǎn)提升計算機(jī)的性能，從而降低計算機(jī)的生產(chǎn)成本。該文從二級緩存和三級緩存對計算機(jī)性能的影響角度進(jìn)行分析，找到計算機(jī)高速讀取和提升存儲速率的性能優(yōu)勢，并分析了三級緩存對于CPU的獨(dú)特作用，最終得出了提升二級緩存和三級緩存對于計算機(jī)性能提升的優(yōu)勢作用。

關(guān)鍵詞：三級緩存? 二級緩存? 存儲效率

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（b）-0021-02

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域獲得了快速的前進(jìn)，根據(jù)摩爾定律所預(yù)測的結(jié)果，半導(dǎo)體行業(yè)間隔一段時間就會有跨越式的發(fā)展，生產(chǎn)工藝的提升會有明顯的跡象。很多情況下，即使生產(chǎn)成本始終保持不變，計算機(jī)部件的運(yùn)算性能也將會有巨大提升。計算機(jī)的最核心組成部分都是半導(dǎo)體，有很多核心組成材料都是半導(dǎo)體所組成，所以摩爾定律也基本能上可以在計算機(jī)配件領(lǐng)域得到運(yùn)用。根據(jù)上述分析，計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度將會持續(xù)下去，但是在當(dāng)今，考慮到非常多的具體應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)有了快速的發(fā)展進(jìn)步，計算機(jī)的性能只有在不斷提升的基礎(chǔ)上才能滿足大眾的基本需求，計算機(jī)性能的提升具體而言需要在滿足公眾需求的基礎(chǔ)之上，尋找新的發(fā)展動力和空間，人們開始不斷嘗試在軟件技術(shù)方面進(jìn)行提升，因此來滿足公眾對于性能的追求，人們需要在整體提升計算機(jī)效率的基礎(chǔ)上，尋求軟件技術(shù)的進(jìn)步，這樣可以提升計算機(jī)的整體運(yùn)行效果，正是在上述背景之下，計算機(jī)的CPU緩存技術(shù)被提出來。

1? 二級緩存和三級緩存簡介

現(xiàn)代計算機(jī)都是在一種叫做圖靈機(jī)的模式之下發(fā)展進(jìn)步而來的。計算機(jī)的結(jié)構(gòu)經(jīng)過了馮諾依曼等人的改進(jìn)，已經(jīng)有所優(yōu)化，逐步形成了現(xiàn)代計算機(jī)的基本架構(gòu)。計算機(jī)程序在運(yùn)行方面以及執(zhí)行程序和任務(wù)的過程之中，所依靠的主要是中央處理器，也就是通常人們稱作CPU的部位。如果CPU可正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，所需要依靠的就是大量的存儲數(shù)據(jù)，但是受到計算機(jī)技術(shù)發(fā)展初期的一系列技術(shù)瓶頸的限制，計算機(jī)所可以存儲的數(shù)據(jù)能量非常有限，在這種狀態(tài)下，計算機(jī)的運(yùn)行能力不足，能夠執(zhí)行的只是一些簡單的任務(wù)，計算機(jī)內(nèi)存的讀取無法滿足實(shí)踐中的運(yùn)算需求。隨著CPU性能的提升，其主頻率甚至都可以達(dá)到Ghz的高能力，同時多核處理器也逐步出現(xiàn)，雖然同時期內(nèi)存從單通道已經(jīng)開始發(fā)展出現(xiàn)多通道，但是基本的性能還是無法滿足CPU的基本需求。在這樣的狀況之下，開始有人發(fā)明了Cache的方法，這種方法就是通過高速緩存的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多功能的應(yīng)用，在概念剛剛被提出來的時候，緩存的數(shù)量還只有一種，在這種狀態(tài)下CPU執(zhí)行任務(wù)的時候，都是首先選擇從緩存中對數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)讀取功能，運(yùn)算的效率就得到了極大的提高。但是計算機(jī)的任務(wù)越來越復(fù)雜，計算量也有逐步增大的趨勢，在這種情況之下，如果緩存的數(shù)量只有一個，那么緩存的空間將會是非常有限的，如果計算量越來越大，很多命令在執(zhí)行的過程中遇到需要內(nèi)存的情況，會需要從內(nèi)存中逐步查找，出于提升CPU整體性能的考慮，在計算量越來越大的情況下，如果只有一個緩存，存儲的空間會非常有限，很多命令都無法釋放到緩存當(dāng)中，為了從整體上提升CPU的性能，需要在緩存的基礎(chǔ)之上，再加上二級緩存或三級緩存。如果說只有一個緩存的話，計算機(jī)的運(yùn)行性能無法得到滿足，二級緩存和三級緩存出現(xiàn)的時間非常晚，在遇到只有一個緩存的情況時，實(shí)質(zhì)上已經(jīng)有了非常明顯的變化，同時經(jīng)過了多年的發(fā)展之后，在CPU的性能方面有所提升。考慮到一些CPU的性能并不是非常高，在沒有二級緩存和三級緩存的情況之下，遇到造價比較高的CPU的時候，通過市場調(diào)查可以查明，在眾多提升計算機(jī)性能的辦法之中，還包括有提升內(nèi)存的容量、提升處理器的頻率等，但二級緩存和三級緩存在這些方面從技術(shù)上而言更加容易實(shí)現(xiàn)。比如說CPU的性能提升方面，需要具備更加優(yōu)良的工藝技術(shù)，但是二級緩存和三級緩存卻可以輕易地達(dá)到性能提升的目的。因?yàn)槠湫阅芴嵘侵挥挟?dāng)CPU需要增加部分模塊的時候，所以三級緩存剛開始出現(xiàn)的時候，還有一種外置存儲器的辦法應(yīng)用比較廣泛。從其發(fā)展經(jīng)歷可以看出，計算機(jī)的二級緩存和三級緩存的特點(diǎn)十分鮮明，利用二級緩存和三級緩存提升計算機(jī)性能的方法和其他的方式相比較，更加簡單，同時成本消耗更少。三級緩存和一級緩存的工作方法相比較，更加簡單，可以明顯地提升處理器的工作能力。計算機(jī)的二級緩存和三級緩變成了計算機(jī)處理性能提升的一種標(biāo)桿。

2? 計算機(jī)二級緩存和三級緩存的發(fā)展

翻閱歷史科技資料可以發(fā)現(xiàn)，除了二級緩存和三級緩存的存儲容量提升之外，其速率也有逐步增加，在比較早的時候，二級緩存甚至三級緩存都只有KB級別的，到現(xiàn)在都發(fā)展到了MB的級別，其性能發(fā)展的最重要標(biāo)志為容量的提升。實(shí)際上，計算機(jī)的性能隨著二級緩存和三級緩存的發(fā)展已經(jīng)有了飛速的進(jìn)步。隨著緩存的性能提升，計算機(jī)的效率已經(jīng)有了巨大的提高，同時處理器的價格也有所增加，經(jīng)過多年的發(fā)展之后，中央處理器已經(jīng)開始根據(jù)二級緩存的容量來劃分成不同的檔次，所以說二級緩存相對于三級緩存來說更加重要，由于歷史因素的影響，我國的計算機(jī)研究發(fā)展的時間開始不算太早，和西方的一些起步早的國家相比，長時間處于水準(zhǔn)較低的水平，我國的計算機(jī)水平和國外相比仍然有比較大的差距，導(dǎo)致我國CPU的類型跟不上國際趨勢，我國的廠家生產(chǎn)的只能是一些配件。

3? 二級緩存與三級緩存的作用

現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，早期的二級緩存和三級緩存的應(yīng)用主要是為了提升CPU的處理效率，但是計算機(jī)性能提升之后，二級緩存和三級緩存的應(yīng)用出現(xiàn)在了硬盤等存儲器之中，并且取得了很好的效果，CPU和硬盤都是計算機(jī)的核心部件，這些部件的性能都非常高，可以從整體上提升計算機(jī)的性能，根據(jù)摩爾定律，計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度會非常快，特別是那些以半導(dǎo)體為原材料的內(nèi)存以及CPU，都會隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展有飛速的進(jìn)步，性能提升非常迅速。尤其是硬盤的發(fā)展特別快，存儲空間的提升幅度很大，盡管硬盤的轉(zhuǎn)速沒有快速發(fā)展，但是其性能已經(jīng)有了大幅度的提升。但是現(xiàn)階段在計算機(jī)性能提升方面已經(jīng)進(jìn)入了瓶頸期，運(yùn)用計算機(jī)性能測試的軟件進(jìn)行檢測可以看出，很多部件的測評與前些年相比并不會有很大提升，即便是選購了市面上比較先進(jìn)的部件，評分標(biāo)準(zhǔn)和前些年相10000r的硬盤已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于其性能不夠穩(wěn)定且造價高，還沒有出現(xiàn)大范圍普及。想要提升計算機(jī)的運(yùn)行性能，一個更好的辦法就是提升計算機(jī)核心部件的性能，也就是說需要提升計算機(jī)的工藝水平，例如對于65nm工藝來說，就需要不斷提升精度，進(jìn)化到22nm，在達(dá)到了更高精度之后，中央處理器的性能有了飛速發(fā)展。中央處理器的性能每經(jīng)過18個月就會產(chǎn)生翻倍的效果，但是進(jìn)入到20nm的水平之后，還會不會繼續(xù)翻倍，很多科學(xué)家都有所懷疑，在這樣的情況下，如何讓計算機(jī)的性能繼續(xù)提升，已經(jīng)成為計算機(jī)研究者的新課題。計算機(jī)實(shí)質(zhì)上包含硬件和軟件等不同的部分，硬件的部分對于計算機(jī)起到的是決定性的作用，硬件的水平如果不好的話，軟件利用得再好，計算機(jī)的性能也無法得到優(yōu)化。軟件可以很好地起到對計算機(jī)性能的優(yōu)化作用，二級緩存和三級緩存可以很好地使上述問題得到解決，所以說，二級緩存和三級緩存的出現(xiàn)，從根本上提升了計算機(jī)架構(gòu)的設(shè)計水平，由于在正常的通信環(huán)節(jié)增加了更高速緩存的空間，從根本上提升了數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行效率，這樣不僅僅是生產(chǎn)工藝本身能力的提升，還在軟件方面有所優(yōu)化，從根本上幫助計算機(jī)的性能獲得了提升，同時花費(fèi)的費(fèi)用要更低。

4? 二級緩存和三級緩存對存儲速率的影響

計算機(jī)科技還在不斷的發(fā)展，需要存儲的數(shù)據(jù)只會越來越多，CPU等核心部件的性能也會有所提升，CPU執(zhí)行計算機(jī)當(dāng)中的指令的時候，一般是首先對內(nèi)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作，很多內(nèi)存的存儲數(shù)據(jù)還達(dá)不到要求，在讀取的時候容易出現(xiàn)一些讀取數(shù)據(jù)效果不好的問題，導(dǎo)致讀取的效率低下，長期下去會對CPU的性能帶來嚴(yán)重的影響，緩存的出現(xiàn)實(shí)際上解決了上述問題，Cache是一種高速的緩存，這種工作機(jī)制和內(nèi)存不同的部件有著自身的運(yùn)行機(jī)理，它們的工作方法和內(nèi)存有所不同，在其運(yùn)行的過程中，可能會存儲一些命令在緩存任務(wù)之中。CPU對這些命令進(jìn)行讀取的時候，可能從緩存的數(shù)據(jù)之中讀取數(shù)據(jù)，這樣效率方面將會有巨大提升。為了從根本上解決讀取時間問題，提升處理器的工作性能，計算機(jī)在歷經(jīng)多年的進(jìn)步之后已經(jīng)可以處理更加復(fù)雜一些的任務(wù)，如果是僅僅只有一級緩存已經(jīng)無法滿足工作的需要了，盡管一級緩存的數(shù)量級別已經(jīng)有所增加，但是畢竟存儲的數(shù)據(jù)是有限的，依靠一級緩存已經(jīng)無法滿足日常的需求，為了提升計算機(jī)的讀取速率，計算機(jī)的二級緩存和三級緩存開始冒頭，這些方法就很好地解決了目標(biāo)上的挑戰(zhàn)，命令經(jīng)過分類之后，在使用的頻率和效果方面有巨大提升，其頻率和重要性都有所增強(qiáng)。執(zhí)行的命令一般放入二級緩存當(dāng)中，這樣就可以從根本上提升讀取的效率。經(jīng)過之前的分析，我們可以察覺，三級緩存有著非常關(guān)鍵的作用，實(shí)現(xiàn)的是高速存儲的功能，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取的高效化，從而顯著地提升數(shù)據(jù)利用的效果。這也是在CPU之上設(shè)置緩存的效果，計算機(jī)的技術(shù)在后來又取得了更長足的進(jìn)步，人們對緩存的概念又有了新的認(rèn)知，開始將其應(yīng)用到了硬盤的存儲之中。例如運(yùn)用這些技術(shù)來提升存儲數(shù)據(jù)的效果，在核心的計算機(jī)部件之中，硬盤的使用效率通常比較慢，硬盤的存儲空間盡管已經(jīng)有了一些提升，但是存儲的效率還是依據(jù)的硬盤的轉(zhuǎn)數(shù)，目前大多數(shù)轉(zhuǎn)數(shù)基本上在7000r的水平，數(shù)據(jù)每秒所存儲的大約是40MB的水平，硬盤的工作機(jī)制對數(shù)據(jù)存儲影響非常大，考慮到數(shù)據(jù)存儲的效果問題，這樣的存儲水平實(shí)際上影響了數(shù)據(jù)存儲的效果，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)有10000r/min的硬盤，但是還沒有得到推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 房振滿.多核緩存系統(tǒng)優(yōu)化及評測研究[D].復(fù)旦大學(xué)，2014.

[2] 葉晨，張延園.一種海量存儲系統(tǒng)二級緩存的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)與現(xiàn)代化，2013（12）：52-55.

①作者簡介：程可（1995，9—），男，漢族，湖北孝感人，本科在讀，研究方向：計算機(jī)。