緩存到底是什么？

　　TL 和 DR 很小，但卻非?？觳⑽挥?CPU 的邏輯單元旁邊。當(dāng)然，我們需要了解更多有關(guān)緩存的信息。

　　讓我們從一個(gè)虛構(gòu)的，神奇的存儲(chǔ)系統(tǒng)開(kāi)始說(shuō)起。這個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)速度極快，可以一次處理無(wú)限的數(shù)據(jù)，并始終保持?jǐn)?shù)據(jù)安全。對(duì)它來(lái)說(shuō)甚至不存在任何需要遠(yuǎn)程操作的東西，但是如果的確存在，處理器的設(shè)計(jì)將更加簡(jiǎn)單。CPU 僅需要具有用于加法，乘法等的邏輯單元，以及用于處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。這是因?yàn)槲覀兊睦碚摯鎯?chǔ)系統(tǒng)可以立即發(fā)送和接收所需的所有編號(hào)；沒(méi)有一個(gè)邏輯單元會(huì)等待數(shù)據(jù)處理。

　　但是，眾所周知，實(shí)際上不存在任何上述魔術(shù)般的存儲(chǔ)技術(shù)。反之，我們擁有硬盤驅(qū)動(dòng)器或固態(tài)驅(qū)動(dòng)器，即使其中最好的驅(qū)動(dòng)器也無(wú)法遠(yuǎn)程處理典型 CPU 所需的所有數(shù)據(jù)傳輸。原因在于，現(xiàn)代 CPU 的運(yùn)行速度非常快 - 它們僅需一個(gè)時(shí)鐘周期即可將兩個(gè) 64 位整數(shù)值相加，而對(duì)于以 4 GHz 運(yùn)行的 CPU，則僅為 0.00000000025 秒或四分之一納秒。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)硬盤驅(qū)動(dòng)器僅需數(shù)千納秒即可在內(nèi)部磁盤上查找數(shù)據(jù)，更不用說(shuō)傳輸數(shù)據(jù)了，而固態(tài)驅(qū)動(dòng)器仍需數(shù)十或數(shù)百納秒。

　　顯然，此類驅(qū)動(dòng)器無(wú)法內(nèi)置在處理器中，因此這意味著兩者之間將存在物理隔離。這只會(huì)增加數(shù)據(jù)移動(dòng)的時(shí)間，使情況變得更糟。因此，我們需要的是另一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，它位于處理器和主存儲(chǔ)之間。它需要比驅(qū)動(dòng)器更快的速度，能夠同時(shí)處理大量數(shù)據(jù)傳輸，并且離處理器更近一些。

　　如今它已成為現(xiàn)實(shí)，叫做 RAM。每個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都有一些用于上述目的的裝置。而幾乎所有這類存儲(chǔ)都是 DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器），它能夠比任何驅(qū)動(dòng)器更快地傳輸數(shù)據(jù)。但是，盡管 DRAM 速度極快，但它無(wú)法存儲(chǔ)盡可能多的數(shù)據(jù)。美光公司是 DRAM 的少數(shù)制造商之一，其中一些最大的 DDR4 存儲(chǔ)器芯片可容納 32 Gbit 或 4 GB 數(shù)據(jù)。最大的硬盤驅(qū)動(dòng)器的容量是此容量的 4000 倍。因此，盡管我們提高了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的速度，但仍需要附加系統(tǒng)（硬件和軟件），以便確定應(yīng)將哪些數(shù)據(jù)保留在有限數(shù)量的 DRAM 中，以備 CPU 使用?；蛘咧辽倏梢詫?DRAM 置于芯片封裝中（稱為嵌入式 DRAM）。不過(guò)，CPU 很小，所以您不能在其中塞太多。絕大多數(shù) DRAM 位于處理器旁邊（插入主板）。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，它始終是最接近 CPU 的組件。然而，這還是不夠快。 DRAM 仍需要約 100 納秒的時(shí)間才能找到數(shù)據(jù)，但至少每秒可以傳輸數(shù)十億比特?？磥?lái)我們需要另一級(jí)存儲(chǔ)器，才能進(jìn)入處理器單元和 DRAM 之間。左級(jí)輸入：SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）。在 DRAM 使用微觀電容器以電荷形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的情況下，SRAM 使用晶體管做同樣的事情，并且它們的工作速度幾乎與處理器中的邏輯單元一樣快（大約比 DRAM 快 10 倍）。當(dāng)然，SRAM 有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是空間?；诰w管的內(nèi)存比 DRAM 占用更多的空間：對(duì)于相同大小的 4 GB DDR4 芯片，您將獲得不到 100 MB 的 SRAM。但是，由于它是通過(guò)與創(chuàng)建 CPU 相同的過(guò)程制成的，因此 SRAM 可以直接在處理器內(nèi)部構(gòu)建，并盡可能靠近邏輯單元。每增加一個(gè)環(huán)節(jié)，我們就增加了數(shù)據(jù)移動(dòng)的速度，從而增加了存儲(chǔ)量。我們可以繼續(xù)添加更多的環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)更快但簡(jiǎn)潔。因此，我們對(duì)高速緩存下了一個(gè)更為專業(yè)的定義：它是全部位于處理器內(nèi)部的多個(gè) SRAM 塊，通過(guò)以超快的速度發(fā)送和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)確保邏輯單元保持盡可能繁忙。對(duì)這個(gè)定義滿意嗎？很好 - 因?yàn)閺默F(xiàn)在開(kāi)始它將變得更加復(fù)雜！