CPU缓存和磁盘缓存有什么区别?它们各有什么特点?(图文)

时间:2020-11-28  来源:魔道电子  作者:cambrain

缓存(英语:cache,英语发音:/kæʃ/),其原始意义是指访问速度比一般随机存取存储器RAM快的一种RAM,通常它不像系统主存那样使用DRAM技术,而使用价格昂贵但较快速的SRAM技术。

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原理 

Cache一词来源于1967年的一篇电子工程期刊论文。其作者将法语词“cache”赋予“safekeeping storage”的涵义,用于电脑工程领域。当CPU处理数据时,它会先到Cache中去寻找,如果数据因之前的操作已经读取而被暂存其中,就不需要再从随机存取存储器(Main memory)中读取数据,由于CPU的运行速度一般比主内存的读取速度快,主存储器周期(访问主存储器所需要的时间)为数个时钟周期。因此若要访问主内存的话,就必须等待数个CPU周期从而造成浪费。

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提供“缓存”的目的是为了让数据访问的速度适应CPU的处理速度,其基本的原理是内存中“程序执行与数据访问的局域性行为”,即一定程序执行时间和空间内,被访问的代码集中于一部分。为了充分发挥缓存的作用,不仅依靠“暂存刚刚访问过的数据”,还要使用硬件实现的指令预测与数据预取技术,尽可能把将要使用的数据预先从内存中取到缓存里。CPU的缓存曾经是用在超级计算机上的一种高级技术,不过现今电脑上使用的的AMD或Intel的X86架构微处理器都在芯片内部集成了大小不等的数据缓存和指令缓存,通称为L1缓存,而比L1更大容量的L2缓存曾经被放在CPU外部,但是现在已经成为CPU内部的标准组件;更昂贵的CPU会配备比L2缓存还要大的L3缓存。

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概念的扩充 

如今缓存的概念已被扩充,不仅在CPU和主内存之间有Cache,而且在内存和硬盘之间也有Cache(磁盘缓存),乃至在硬盘与网络之间也有某种意义上的Cache──称为Internet临时文件夹或网络内容缓存等。凡是位于速度相差较大的两种硬件之间,用于协调两者数据传输速度差异的结构,均可称之为Cache。

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地址镜像与变换 

由于主存容量远大于CPU缓存的容量,因此两者之间就必须按一定的规则对应起来。地址镜像就是指按某种规则把主存块装入缓存中。地址变换是指当按某种镜像方式把主存块装入缓存后,每次访问CPU缓存时,如何把主存的物理地址(Physical address)或虚拟地址(Virtual address)变换成CPU缓存的地址,从而访问其中的数据。

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缓存置换策略 

主存容量远大于CPU缓存,磁盘容量远大于主存,因此无论是哪一层次的缓存都面临一个同样的问题:当容量有限的缓存的空闲空间全部用完后,又有新的内容需要添加进缓存时,如何挑选并舍弃原有的部分内容,从而腾出空间放入这些新的内容。解决这个问题的算法有几种,如最久未使用算法(LRU)、先进先出算法(FIFO)、最近最少使用算法(LFU)、非最近使用算法(NMRU)等,这些算法在不同层次的缓存上执行时拥有不同的效率和代价,需根据具体场合选择最合适的一种。

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磁盘缓存

16MB缓冲区的硬盘 

磁盘缓存(Disk Buffer)或磁盘快取(Disk Cache)实际上是将下载到的数据先保存于系统为软件分配的内存空间中(这个内存空间被称之为“内存池”),当保存到内存池中的数据达到一个程度时,便将数据保存到硬盘中。这样可以减少实际的磁盘操作,有效的保护磁盘免于重复的读写操作而导致的损坏。磁盘缓存是为了减少CPU透过I/O读取磁盘机的次数,提升磁盘I/O的效率,用一块内存来储存存取较频繁的磁盘内容;因为内存的存取是电子动作,而磁盘的存取是I/O动作,感觉上磁盘I/O变得较为快速。相同的技巧可用在写入动作,我们先将欲写入的内容放入内存中,等到系统有其它空闲的时间,再将这块内存的资料写入磁盘中。

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磁盘缓存大小 

现在的磁盘通常有32MB或64MB缓存。旧的硬盘则有8MB或16MB。而使用SMR瓦棱堆叠技术的磁盘缓存一般大于100MB。

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