解讀片上RAM和外部RAM訪問速度的差異問題

　　有些人不明白為什么片上RAM和外部RAM訪問速度有差異？為什么CPU訪問外部RAM速度慢，其實先要知道原因，最關(guān)鍵的是要懂得總線的知識。

　　有些技術(shù)，比如總線，看起來它和一般程序員關(guān)系不大。但它卻串聯(lián)起很多問題：為什么片上RAM和外部RAM訪問速度有差異；為什么CPU訪問外部RAM速度慢；為什么訪問IO設(shè)備更慢；為什么CPU訪問cache比外部RAM快？

　　背景

　　總線是一組、多條信號線，是計算機中多個模塊間（如CPU、內(nèi)存、外設(shè)等）的通訊信路；

　　每根信號線上傳輸變化的0/1信號；

　　信號收發(fā)雙方必須以某種方式（如一根時鐘信號線）同步，以正確傳遞和解析這些信號；

　　信號變化的頻率大致決定總線上數(shù)據(jù)傳輸速率，隨著工藝的進步，總線頻率不斷提高，帶寬不斷增加，但和CPU一樣有極限，因為頻率越高，信號線間干擾越嚴重；

　　內(nèi)存受自身及其控制器工藝所限，也有訪問速度限制，CPU訪問內(nèi)存速度=min（總線，內(nèi)存）；

　　外圍設(shè)備速度很慢，或者說數(shù)據(jù)量很小，如串口/鼠標(biāo)/鍵盤等。

　　發(fā)展過程

　　下面讓我們跟著歷史的腳步看看總線的發(fā)展歷程，理解今天復(fù)雜的總線是怎樣出現(xiàn)的。

　　a.公共總線

　　早期PC中，CPU/RAM/IO都掛在一條總線上，即所有部件都被限定在同一個時鐘頻率下工作，這樣整個系統(tǒng)不得不去遷就跑得最慢的外圍IO設(shè)備，整體速度等于系統(tǒng)中最慢的設(shè)備的速度，系統(tǒng)性能無法提高。

　　b. I/O總線

　　“所有計算機科學(xué)中的問題都能通過增加一個中間轉(zhuǎn)換層來解決”，人們自然想到這把萬能鑰匙，于是把高/低速設(shè)備分組，各自用高/低速總線連接，即CPU和內(nèi)存連接在高速的內(nèi)部總線上，外圍慢速的IO設(shè)備就掛在慢速I/O總線上。這樣I/O總線最早分離出去，與內(nèi)部總線工作在不同時鐘頻率上，之間通過一個被稱為bridge的器件匹配連接，bridge起降頻作用。

　　這時CPU擺脫了低速I/O設(shè)備的束縛，訪問RAM的速度大大提高。

　　c.倍頻出世

　　再后來，CPU發(fā)展迅猛，頻率大幅攀升，內(nèi)存逐漸跟不上CPU，讓內(nèi)存和CPU工作于同一總線頻率就浪費了CPU的性能。人們又類似地引入了倍頻的概念，即在CPU與原先內(nèi)部總線間引入一個倍頻器，內(nèi)存依舊工作在原內(nèi)部總線頻率，而CPU工作頻率（主頻）變成外頻（內(nèi)存總線頻率）*倍頻。

　　這樣CPU內(nèi)部訪問寄存器以及運算的速度不再受內(nèi)存速度的拖累。

　　總結(jié)

　　至此就可以回答最初幾個問題。

　　a. CPU訪問外部RAM要經(jīng)過降頻后的總線，有總線瓶頸，所以慢；

　　b.cache屬于片上RAM，工作于CPU頻率，訪問它不需要經(jīng)過降頻后的內(nèi)存總線，所以速度快；

　　c.訪問I/O低速設(shè)備要經(jīng)過更慢的I/O總線，所以性能最差。

　　目前計算機整體基本還是CPU/內(nèi)存（高速）總線/IO（低速）總線幾個級別，整體性能大概可用下面公式表達：總時間=∑（CPU片內(nèi)工作量/cpu頻率）+∑（內(nèi)存等高速設(shè)備訪問量/內(nèi)存總線頻率）+∑（I/O設(shè)備訪問/IO總線頻率）。因此圍繞總線的演化趨勢就是：

　　a.不斷把各種設(shè)備按速度分組，細化出各種子總線并橋接在系統(tǒng)的高速或低速總線上；

　　b.不斷提高高速總線帶寬，并盡量把對低速區(qū)的訪問緩存在高速區(qū)，如CPU cache和磁盤文件的內(nèi)存緩沖。

　　以上或許在細節(jié)上不準(zhǔn)確，但可以作為基礎(chǔ)去理解軟件的相關(guān)問題。