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解析计算机二级与三级缓存对存储速率的影响

2014-03-20倪冬梅

外语与翻译 2014年2期
关键词:中央处理器摩尔定律硬盘

倪冬梅

(宿迁市广播电视大学,江苏宿迁,223800)

随着计算机的普及应用,计算机技术得到了极大的发展,从摩尔定律可以知道,半导体加工业每隔十八个月,生产工艺就可以增加一倍,而生产成本保持不变,计算机的核心部件,都是以半导体为主要材料生产的,因此摩尔定律也可以适用在计算机领域,由此可以看出,计算机产业发展的速度[1]。但是进入到21世纪后,各个领域都得到了飞速的发展,对计算机的性能提出了更高的需求,依靠计算机硬件自身的发展,已经无法满足实际应用的需要,因此人们开始从软件技术方面,提升计算机的性能。二级缓存和三级缓存的理念,正是在这种背景下被提出来的。

一、计算机二级缓存和三级缓存简述

(一)计算机二级缓存和三级缓存的概念

现代计算机的出现,主要是建立在图灵机的基础上,经过冯诺依曼等人的优化后,逐渐的形成了现代计算机的架构。计算机在实际运行的过程中,主要依靠中央处理器来执行命令,通常情况下,CPU工作命令需要从内存中读取。在计算机发展的初期,受到技术水平的限制,计算机能够存储的数据有限,而且计算机的性能较低,只能执行一些简单的任务,内存的读取效率可以满足实际应用的需要。但是随着计算机性能的提高,CPU的主频率已经达到了GHz级别,而且出现了多核处理器,虽然内存也从单通道发展到了双通道,现在已经有了三通道内存,但是内存的读取效率依然无法满足CPU的需求,在这种背景下,人们提出了 Cache的理念,即高速缓存。在Cache理念出现的早期,只设立的一个缓存,这样CPU在处理命令的过程中,可以先从缓存中读取,这样可以极大地提高处理器的性能,但是随着计算机处理的任务越来越复杂,这个缓存的存储空间有限,很多命令都无法放到缓存中,这些命令的执行还是需要到内存中查找。因此为了进一步提高CPU的性能,人们在一级缓存的基础上,提出了二级缓存和三级缓存的理念。

(二)计算机二级缓存和三级缓存的特点

与计算机一级缓存相比,二级缓存和三级缓存出现的时间较晚,但是与一级缓存一样,其应用的目的都是为了提高处理器的性能,经过了多年的发展,现在CPU都具有一级缓存,但是一些低端型号的 CPU,还没有二级缓存和三级缓存,尤其是三级缓存,目前只有一些高端的 CPU,才会集成这个功能[2]。通过实际的调查可以知道,提高计算机性能的方法有很多,包括提高处理器的主频,增加内存的容量等,而二级缓存和三级缓存与这些方式相比,在技术上要更加容易,如 CPU主频和内存方面的提升,需要建立在加工工艺的基础上,而二级缓存和三级缓存就显得更加简单,只需要在CPU中添加相应的存储模块即可,在三级缓存出现的早期,甚至还采用了外置存储器的方式。由此可以看出,计算机二级缓存和三级缓存具有鲜明的特点,与其他提高计算机性能的方式相比,这种方式更加简单,而且成本较低,与传统的内存和一级缓存工作方式相比,能够更好地提高处理器的性能,因此计算机的二级缓存和三级缓存,已经成为衡量处理器性能的重要标志。

(三)计算机二级缓存和三级缓存的发展

从计算机二级缓存和三级缓存出现开始,由于其鲜明的特点,可以很好的提高计算机的性能,因此受到了人们足够的重视。在这种背景下,计算机二级缓存和三级缓存得到了快速的发展,通过实际的调查可以知道,二级缓存和三级缓存的发展,主要就是存储容量的提升,如早期的二级存储和三级存储,容量只有KB级别,现在的已经达到了MB的级别。二级缓存和三级缓存容量的提升,对于计算机性能的提高很大[3],但是随着二级缓存和三级缓存容量的提升,处理器的价格也要提高一些,经过了多年的发展,现在中央处理器已经开始用二级缓存的容量,来划分产品的高低端档次,由此可以看出,二级缓存和三级缓存的重要性。受到特殊的历史因素影响,我国经济和科技的起步较晚,与西方一些发达国家相比,在计算机等领域中,具有较大的差距,目前市面上生产CPU的厂家主要有两个,分别是美国的英特尔和IBM公司,我国只能生产计算机的一些辅助部件,虽然我国有联想等计算机生产企业,但是仅仅从事组装的工作而已。

二、计算机二级缓存和三级缓存的作用

(一)提高计算机的性能

经过了多年的发展,计算机二级缓存和三级缓存的理念已经非常完善。早期的二级缓存和三级缓存,主要应用在 CPU中,以此来提高CPU处理的效率,但是随着计算机技术自身的发展,人们将二级缓存和三级缓存的理念,引入到了硬盘等存储器中,以此来提高存储的效率,并且取得了很好的效果。CPU、内存和硬盘作为计算机的核心部件,其中任何一个部件的性能得到提高,都能够在一定程度上提高计算机整体的性能,从摩尔定律可以知道,计算机产业发展的速度很快,尤其是以半导体为原材料的CPU和内存,随着半导体加工工艺的提升,其性能得到了极大地提高,其中硬盘的发展速度较慢,只有存储空间得到了提升,决定存储效率的硬盘转速,并没有得到很好的发展[4]。由此可以看出,计算机的发展已经进入了一个瓶颈,利用很多计算机性能检测软件可以发现,各个部件评测的分数具有较大的差距,即使采用目前市面上最先进的部件,评测分数最低的通常是硬盘,虽然一万转的固态硬盘已经出现,但由于其性能不是很稳定,而且成本非常高,因此还没有得到普及应用。

(二)降低生产成本

在传统的计算机部件生产中,要想提高计算机核心部件的性能,通常需要提高生产的工艺,如65nm加工工艺提升到22纳米,就可以极大的提高计算机中央处理器的性能,从摩尔定律可以知道,中央处理器的加工工艺每个十八个月就能翻倍,但是加工水平进入到20纳米级别后,摩尔定律还能够持续,很多专家和学者都持怀疑的态度。在这种背景下,如何继续提高计算机的性能,将会成为影响计算机应用的重要因素,由于计算机可以分成软件和硬件两个方面,虽然硬件对计算机性能起着决定性的作用,如果很好的利用软件优化,也可以在很大程度上提高计算机的性能,因此近几年出现了很多计算机优化技术。二级缓存和三级缓存的出现,很好的解决了这个问题,从某种意义上来说,应用二级缓存和三级缓存,改变了传统计算机的架构,在正常的线路通讯环节中,增加一个高速缓存的空间,这样就能够很好的提高数据读取的效率,这样既不用提高生产工艺,也不需要软件方面的优化,就可以很好的提高计算机的性能,而且从成本上来说,与提高生产工艺和优化技术相比,花费的费用要低很多。

三、计算机二级缓存和三级缓存对存储速率的影响

(一)提高读取的命中率

随着计算机技术的发展,能够存储的数据越来越多,中央处理器等核心部件的性能也得到了极大的提高,而中央处理器在执行相应的指令时,需要先从内存中读取,由于内存的存储速率较低,在实际读取的过程中,读取的速度较慢,而且容易读取命中率较低,严重地影响了CPU的性能。缓存的出现很好的解决了这个问题,由于Cache是高速缓存,与内存的工作机制不同,在实际的运行过程中,会把常用的一些命令,存储到这个缓存中,这样CPU在读取命令时,可以直接从缓存中读取,读取的效率要提高很多,这样减少了数据读取的时间,就可以很好的提高处理器性能。计算机经过了多年的发展,执行的任务越来越复杂,依靠一级缓存,已经无法满足日常使用的需要,虽然一级缓存的容量在不断的增加,但是只能存储有限的命令,这样就降低了读取的命中率,计算机二级缓存和三级缓存的出现,很好的解决这个问题,将常用的命令进行分类,根据使用的频率和重要程度等,分别存放到一级缓存、二级缓存和三级缓存中,就可以很好的提高读取的命中率。

(二)提高存储的速率

通过前面的分析可以知道,计算机二级缓存和三级缓存的主要作用,就是利用高速的缓存,提高数据读取的效率,这是中央处理上缓存的作用,而随着计算机技术的进步,人们将二级缓存和三级缓存的理念,引入到了硬盘的存储中,以此来提高数据存储的速率,在所有计算机核心部件中,硬盘的发展速度无疑是最慢的,虽然近些年存储空间得到了很大的提高,但是决定存储速率的硬盘转数,并没有得到明显的提高。目前计算机中的使用的硬盘,大多是每分钟7200转的,数据的存储速度可以达到每秒40兆左右,受到硬盘工作机制的影响,长时间的数据存储,会持续的降低存储的效率,虽然已经出现了每分钟一万转以上的固态硬盘,但是受到目前技术水平的限制,其容量很小而且成本较高,只有在一些高端的笔记本中采用。由此可以看出,如何提高计算机硬盘的存储速率,已经成为影响计算机发展的重要因素,依靠传统的方法,显然无法很好的达到这个目的,因此人们将CPU中缓存的理念引入到硬盘中,在硬盘中添加了缓存的机制,这样数据会先存储到缓存中,在缓存中的数据积累到一定的程度,一起写入到硬盘中,很好地提高了计算机存储的速率。

四、计算机三级缓存的特殊性

目前市面上的 CPU,出于提高性能的目的,几乎都具有了一级缓存,而且缓存的空间比较大,而计算机二级缓存虽然经过了多年的发展,工作机制上已经比较完善,但是受到技术水平和成本上的限制,不同型号的 CPU,二级缓存的空间具有很大的差异,因此二级缓存已经成为了衡量CPU的一个重要参数。三级缓存比二级缓存更加高级,虽然能够进一步提高计算机的性能,但是对于普通的个人用户来说,二级缓存就能够满足实际的需要,三级缓存几乎没有作用,因此市面上的很多 CPU,都没有三级缓存的配置,只有一些服务器使用的CPU,才会增加三级缓存的配置。经过了一级缓存和二级缓存的优化后,CPU的读取效率已经有了很大的提升,三级缓存对于CPU瞬间的读取效率并没有明显的提升,只有计算机长期工作的状态下,三级缓存才能够发挥一定的作用,普通的个人计算机,很少会长时间的开机,只有一些服务器才需要不停的作用,因此三级缓存对于服务器的CPU来说,具有非常重要的作用。

通过全文分析可以知道,计算机二级缓存和三级缓存,对于计算机性能的提升非常明显,尤其是CPU的工作效率。经过了多年的发展和完善,二级缓存已经成为了衡量CPU性能的重要标志,但是考虑到三级缓存的特殊性,通常情况下,依靠一级缓存和二级缓存,就可以满足日常使用的需要,只有一些服务中,由于需要长时间的工作,才会需要三级缓存来提高性能。

[1]魏文国,张凌,董守斌,等.分类的缓存数据延迟写技术[J].小型微型计算机系统,2006(11):2138-2141.

[2]兰丽,多级缓存模式下的数据块替换优化算法[J].计算机工程,2013(4):78-81.

[3]王鹏,伊鹏,金德鹏,等.基于三级存储阵列缓存高速数据包及性能分析[J].软件学报,2005(12):2181-2189.

[4]夏金军,庄奕琪,包军林,等.一种基于FPGA的高速数据缓存的设计[J].微计算机信息,2008(32):226-228.

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