计算机存储器层次结构详解：从寄存器到硬盘

计算机存储器层次结构详解：从寄存器到硬盘

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CSDN

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https://blog.csdn.net/wang1664178416/article/details/140275662

计算机存储器的层次结构是一个复杂而精妙的系统，从最接近CPU的寄存器到最远离CPU的硬盘，每种存储设备都有其独特的性能特点和应用场景。本文将为您详细解析这一层次结构，帮助您理解不同存储设备的工作原理和相互关系。

在计算机系统中，存储器的层次结构可以比喻为一个图书馆。CPU就像是大脑，需要快速访问和处理数据。寄存器就像是大脑中正在思考的内容，处理速度最快但存储空间最小；CPU Cache就像是短期记忆，存储空间稍大但速度略慢；内存就像是书桌上的书籍，可以快速访问但存储空间有限；而硬盘就像是图书馆的书架，存储空间巨大但访问速度较慢。

寄存器

寄存器是最靠近CPU的存储器，使用最快的材料，因此价格也最贵。数量通常在几十到几百之间，每个寄存器可以存储一定字节的数据。例如，32位CPU中大多数寄存器可以存储4个字节，而64位CPU中大多数寄存器可以存储8个字节。寄存器的访问速度非常快，一般要求在半个CPU时钟周期内完成读写。

CPU Cache

CPU Cache使用的是SRAM（静态随机存储器）芯片。SRAM之所以叫“静态”存储器，是因为只要有电，数据就可以保持存在，一旦断电，数据就会丢失。在SRAM中，一个bit的数据通常需要6个晶体管，因此存储密度不高，但访问速度非常快。

CPU的高速缓存通常分为L1、L2、L3三层：

• L1高速缓存：访问速度几乎和寄存器一样快，通常只需要2~4个时钟周期，大小在几十KB到几百KB不等。每个CPU核心都有一块属于自己的L1高速缓存，指令和数据在L1是分开存放的。

• L2高速缓存：同样每个CPU核心都有，位置比L1高速缓存距离CPU核心更远，大小在几百KB到几MB不等，访问速度在10~20个时钟周期。

• L3高速缓存：通常是多个CPU核心共用的，位置比L2高速缓存距离CPU核心更远，大小在几MB到几十MB不等，访问速度在20~60个时钟周期。

存储器的层次关系

现代计算机都用上了CPU Cache、内存、SSD或HDD硬盘等存储器设备。存储空间越大的存储器设备，其访问速度越慢，所需成本也相对越少。CPU并不会直接和每一种存储器设备直接打交道，而是每一种存储器设备只和它相邻的存储器设备打交道。

当CPU需要访问内存中某个数据的时候，会按照寄存器→L1→L2→L3→内存的顺序查找。如果在某一层级找到数据，就会直接使用，避免了更慢的存储设备的访问。

下面这张表格是不同层级的存储器之间的成本对比图：

从表中可以看出，L1 Cache的访问延时是1纳秒，而内存已经是100纳秒了，相比L1 Cache速度慢了100倍。机械硬盘的访问延时更是高达10毫秒，相比L1 Cache速度慢了10000000倍，差了好几个数量级别。在价格上，每生成MB大小的L1 Cache相比内存贵了466倍，相比机械硬盘那更是贵了175000倍。