解析計算機二級與三級緩存對存儲速率的影響

倪冬梅

（宿遷市廣播電視大學，江蘇宿遷，223800）

隨著計算機的普及應用，計算機技術得到了極大的發(fā)展，從摩爾定律可以知道，半導體加工業(yè)每隔十八個月，生產(chǎn)工藝就可以增加一倍，而生產(chǎn)成本保持不變，計算機的核心部件，都是以半導體為主要材料生產(chǎn)的，因此摩爾定律也可以適用在計算機領域，由此可以看出，計算機產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度[1]。但是進入到21世紀后，各個領域都得到了飛速的發(fā)展，對計算機的性能提出了更高的需求，依靠計算機硬件自身的發(fā)展，已經(jīng)無法滿足實際應用的需要，因此人們開始從軟件技術方面，提升計算機的性能。二級緩存和三級緩存的理念，正是在這種背景下被提出來的。

一、計算機二級緩存和三級緩存簡述

（一）計算機二級緩存和三級緩存的概念

現(xiàn)代計算機的出現(xiàn)，主要是建立在圖靈機的基礎上，經(jīng)過馮諾依曼等人的優(yōu)化后，逐漸的形成了現(xiàn)代計算機的架構。計算機在實際運行的過程中，主要依靠中央處理器來執(zhí)行命令，通常情況下，CPU工作命令需要從內(nèi)存中讀取。在計算機發(fā)展的初期，受到技術水平的限制，計算機能夠存儲的數(shù)據(jù)有限，而且計算機的性能較低，只能執(zhí)行一些簡單的任務，內(nèi)存的讀取效率可以滿足實際應用的需要。但是隨著計算機性能的提高，CPU的主頻率已經(jīng)達到了GHz級別，而且出現(xiàn)了多核處理器，雖然內(nèi)存也從單通道發(fā)展到了雙通道，現(xiàn)在已經(jīng)有了三通道內(nèi)存，但是內(nèi)存的讀取效率依然無法滿足CPU的需求，在這種背景下，人們提出了 Cache的理念，即高速緩存。在Cache理念出現(xiàn)的早期，只設立的一個緩存，這樣CPU在處理命令的過程中，可以先從緩存中讀取，這樣可以極大地提高處理器的性能，但是隨著計算機處理的任務越來越復雜，這個緩存的存儲空間有限，很多命令都無法放到緩存中，這些命令的執(zhí)行還是需要到內(nèi)存中查找。因此為了進一步提高CPU的性能，人們在一級緩存的基礎上，提出了二級緩存和三級緩存的理念。

（二）計算機二級緩存和三級緩存的特點

與計算機一級緩存相比，二級緩存和三級緩存出現(xiàn)的時間較晚，但是與一級緩存一樣，其應用的目的都是為了提高處理器的性能，經(jīng)過了多年的發(fā)展，現(xiàn)在CPU都具有一級緩存，但是一些低端型號的 CPU，還沒有二級緩存和三級緩存，尤其是三級緩存，目前只有一些高端的 CPU，才會集成這個功能[2]。通過實際的調(diào)查可以知道，提高計算機性能的方法有很多，包括提高處理器的主頻，增加內(nèi)存的容量等，而二級緩存和三級緩存與這些方式相比，在技術上要更加容易，如 CPU主頻和內(nèi)存方面的提升，需要建立在加工工藝的基礎上，而二級緩存和三級緩存就顯得更加簡單，只需要在CPU中添加相應的存儲模塊即可，在三級緩存出現(xiàn)的早期，甚至還采用了外置存儲器的方式。由此可以看出，計算機二級緩存和三級緩存具有鮮明的特點，與其他提高計算機性能的方式相比，這種方式更加簡單，而且成本較低，與傳統(tǒng)的內(nèi)存和一級緩存工作方式相比，能夠更好地提高處理器的性能，因此計算機的二級緩存和三級緩存，已經(jīng)成為衡量處理器性能的重要標志。

（三）計算機二級緩存和三級緩存的發(fā)展

從計算機二級緩存和三級緩存出現(xiàn)開始，由于其鮮明的特點，可以很好的提高計算機的性能，因此受到了人們足夠的重視。在這種背景下，計算機二級緩存和三級緩存得到了快速的發(fā)展，通過實際的調(diào)查可以知道，二級緩存和三級緩存的發(fā)展，主要就是存儲容量的提升，如早期的二級存儲和三級存儲，容量只有KB級別，現(xiàn)在的已經(jīng)達到了MB的級別。二級緩存和三級緩存容量的提升，對于計算機性能的提高很大[3]，但是隨著二級緩存和三級緩存容量的提升，處理器的價格也要提高一些，經(jīng)過了多年的發(fā)展，現(xiàn)在中央處理器已經(jīng)開始用二級緩存的容量，來劃分產(chǎn)品的高低端檔次，由此可以看出，二級緩存和三級緩存的重要性。受到特殊的歷史因素影響，我國經(jīng)濟和科技的起步較晚，與西方一些發(fā)達國家相比，在計算機等領域中，具有較大的差距，目前市面上生產(chǎn)CPU的廠家主要有兩個，分別是美國的英特爾和IBM公司，我國只能生產(chǎn)計算機的一些輔助部件，雖然我國有聯(lián)想等計算機生產(chǎn)企業(yè)，但是僅僅從事組裝的工作而已。

二、計算機二級緩存和三級緩存的作用

（一）提高計算機的性能

經(jīng)過了多年的發(fā)展，計算機二級緩存和三級緩存的理念已經(jīng)非常完善。早期的二級緩存和三級緩存，主要應用在 CPU中，以此來提高CPU處理的效率，但是隨著計算機技術自身的發(fā)展，人們將二級緩存和三級緩存的理念，引入到了硬盤等存儲器中，以此來提高存儲的效率，并且取得了很好的效果。CPU、內(nèi)存和硬盤作為計算機的核心部件，其中任何一個部件的性能得到提高，都能夠在一定程度上提高計算機整體的性能，從摩爾定律可以知道，計算機產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度很快，尤其是以半導體為原材料的CPU和內(nèi)存，隨著半導體加工工藝的提升，其性能得到了極大地提高，其中硬盤的發(fā)展速度較慢，只有存儲空間得到了提升，決定存儲效率的硬盤轉(zhuǎn)速，并沒有得到很好的發(fā)展[4]。由此可以看出，計算機的發(fā)展已經(jīng)進入了一個瓶頸，利用很多計算機性能檢測軟件可以發(fā)現(xiàn)，各個部件評測的分數(shù)具有較大的差距，即使采用目前市面上最先進的部件，評測分數(shù)最低的通常是硬盤，雖然一萬轉(zhuǎn)的固態(tài)硬盤已經(jīng)出現(xiàn)，但由于其性能不是很穩(wěn)定，而且成本非常高，因此還沒有得到普及應用。

（二）降低生產(chǎn)成本

在傳統(tǒng)的計算機部件生產(chǎn)中，要想提高計算機核心部件的性能，通常需要提高生產(chǎn)的工藝，如65nm加工工藝提升到22納米，就可以極大的提高計算機中央處理器的性能，從摩爾定律可以知道，中央處理器的加工工藝每個十八個月就能翻倍，但是加工水平進入到20納米級別后，摩爾定律還能夠持續(xù)，很多專家和學者都持懷疑的態(tài)度。在這種背景下，如何繼續(xù)提高計算機的性能，將會成為影響計算機應用的重要因素，由于計算機可以分成軟件和硬件兩個方面，雖然硬件對計算機性能起著決定性的作用，如果很好的利用軟件優(yōu)化，也可以在很大程度上提高計算機的性能，因此近幾年出現(xiàn)了很多計算機優(yōu)化技術。二級緩存和三級緩存的出現(xiàn)，很好的解決了這個問題，從某種意義上來說，應用二級緩存和三級緩存，改變了傳統(tǒng)計算機的架構，在正常的線路通訊環(huán)節(jié)中，增加一個高速緩存的空間，這樣就能夠很好的提高數(shù)據(jù)讀取的效率，這樣既不用提高生產(chǎn)工藝，也不需要軟件方面的優(yōu)化，就可以很好的提高計算機的性能，而且從成本上來說，與提高生產(chǎn)工藝和優(yōu)化技術相比，花費的費用要低很多。

三、計算機二級緩存和三級緩存對存儲速率的影響

（一）提高讀取的命中率

隨著計算機技術的發(fā)展，能夠存儲的數(shù)據(jù)越來越多，中央處理器等核心部件的性能也得到了極大的提高，而中央處理器在執(zhí)行相應的指令時，需要先從內(nèi)存中讀取，由于內(nèi)存的存儲速率較低，在實際讀取的過程中，讀取的速度較慢，而且容易讀取命中率較低，嚴重地影響了CPU的性能。緩存的出現(xiàn)很好的解決了這個問題，由于Cache是高速緩存，與內(nèi)存的工作機制不同，在實際的運行過程中，會把常用的一些命令，存儲到這個緩存中，這樣CPU在讀取命令時，可以直接從緩存中讀取，讀取的效率要提高很多，這樣減少了數(shù)據(jù)讀取的時間，就可以很好的提高處理器性能。計算機經(jīng)過了多年的發(fā)展，執(zhí)行的任務越來越復雜，依靠一級緩存，已經(jīng)無法滿足日常使用的需要，雖然一級緩存的容量在不斷的增加，但是只能存儲有限的命令，這樣就降低了讀取的命中率，計算機二級緩存和三級緩存的出現(xiàn)，很好的解決這個問題，將常用的命令進行分類，根據(jù)使用的頻率和重要程度等，分別存放到一級緩存、二級緩存和三級緩存中，就可以很好的提高讀取的命中率。

（二）提高存儲的速率

通過前面的分析可以知道，計算機二級緩存和三級緩存的主要作用，就是利用高速的緩存，提高數(shù)據(jù)讀取的效率，這是中央處理上緩存的作用，而隨著計算機技術的進步，人們將二級緩存和三級緩存的理念，引入到了硬盤的存儲中，以此來提高數(shù)據(jù)存儲的速率，在所有計算機核心部件中，硬盤的發(fā)展速度無疑是最慢的，雖然近些年存儲空間得到了很大的提高，但是決定存儲速率的硬盤轉(zhuǎn)數(shù)，并沒有得到明顯的提高。目前計算機中的使用的硬盤，大多是每分鐘7200轉(zhuǎn)的，數(shù)據(jù)的存儲速度可以達到每秒40兆左右，受到硬盤工作機制的影響，長時間的數(shù)據(jù)存儲，會持續(xù)的降低存儲的效率，雖然已經(jīng)出現(xiàn)了每分鐘一萬轉(zhuǎn)以上的固態(tài)硬盤，但是受到目前技術水平的限制，其容量很小而且成本較高，只有在一些高端的筆記本中采用。由此可以看出，如何提高計算機硬盤的存儲速率，已經(jīng)成為影響計算機發(fā)展的重要因素，依靠傳統(tǒng)的方法，顯然無法很好的達到這個目的，因此人們將CPU中緩存的理念引入到硬盤中，在硬盤中添加了緩存的機制，這樣數(shù)據(jù)會先存儲到緩存中，在緩存中的數(shù)據(jù)積累到一定的程度，一起寫入到硬盤中，很好地提高了計算機存儲的速率。

四、計算機三級緩存的特殊性

目前市面上的 CPU，出于提高性能的目的，幾乎都具有了一級緩存，而且緩存的空間比較大，而計算機二級緩存雖然經(jīng)過了多年的發(fā)展，工作機制上已經(jīng)比較完善，但是受到技術水平和成本上的限制，不同型號的 CPU，二級緩存的空間具有很大的差異，因此二級緩存已經(jīng)成為了衡量CPU的一個重要參數(shù)。三級緩存比二級緩存更加高級，雖然能夠進一步提高計算機的性能，但是對于普通的個人用戶來說，二級緩存就能夠滿足實際的需要，三級緩存幾乎沒有作用，因此市面上的很多 CPU，都沒有三級緩存的配置，只有一些服務器使用的CPU，才會增加三級緩存的配置。經(jīng)過了一級緩存和二級緩存的優(yōu)化后，CPU的讀取效率已經(jīng)有了很大的提升，三級緩存對于CPU瞬間的讀取效率并沒有明顯的提升，只有計算機長期工作的狀態(tài)下，三級緩存才能夠發(fā)揮一定的作用，普通的個人計算機，很少會長時間的開機，只有一些服務器才需要不停的作用，因此三級緩存對于服務器的CPU來說，具有非常重要的作用。

通過全文分析可以知道，計算機二級緩存和三級緩存，對于計算機性能的提升非常明顯，尤其是CPU的工作效率。經(jīng)過了多年的發(fā)展和完善，二級緩存已經(jīng)成為了衡量CPU性能的重要標志，但是考慮到三級緩存的特殊性，通常情況下，依靠一級緩存和二級緩存，就可以滿足日常使用的需要，只有一些服務中，由于需要長時間的工作，才會需要三級緩存來提高性能。

[1]魏文國，張凌，董守斌，等.分類的緩存數(shù)據(jù)延遲寫技術[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2006(11)：2138-2141.

[2]蘭麗，多級緩存模式下的數(shù)據(jù)塊替換優(yōu)化算法[J].計算機工程，2013(4)：78-81.

[3]王鵬，伊鵬，金德鵬，等.基于三級存儲陣列緩存高速數(shù)據(jù)包及性能分析[J].軟件學報，2005(12)：2181-2189.

[4]夏金軍，莊奕琪，包軍林，等.一種基于FPGA的高速數(shù)據(jù)緩存的設計[J].微計算機信息，2008(32)：226-228.