淺析計算機(jī)硬件的讀寫速度差異（上）

現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)

現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)與馮·諾依曼計算機(jī)差別不大，最大的區(qū)別馮·諾依曼計算機(jī) 是 以運算器為中心的，而現(xiàn)代計算機(jī) 以儲存器為中心：

我們主要來看一下其中與儲存相關(guān)的組件：

存儲器

存儲器是用來存放數(shù)據(jù)和程序。存儲器 包含主存和輔存

• 主存：直接與CPU交換信息，就是我們熟悉的內(nèi)存。斷電后內(nèi)存的數(shù)據(jù)是會丟失的
• 輔存：輔存可作為主存的后備存儲器，不直接與CPU交換信息，容量比主存大，但速度比主存慢。比如機(jī)械硬盤、固態(tài)硬盤等。斷電后硬盤的數(shù)據(jù)是不會丟失，硬盤是持久化存儲設(shè)備。
• 輔存、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備 統(tǒng)稱為 IO設(shè)備 ；主機(jī)一般包含：CPU、主存

我們先來看看存儲器的層次結(jié)構(gòu)，來初步對各個儲存器部件有所認(rèn)識 !

我們可以發(fā)現(xiàn)存儲器速度越快的話，相應(yīng)的價格也會越發(fā)昂貴！

寄存器

CPU中 還有一個常見的組件: 寄存器 ，是CPU內(nèi)部用來存放數(shù)據(jù)的一些小型的存儲區(qū)域，用來暫時存放參與運算的數(shù)據(jù)以及運算結(jié)果。寄存器由電子線路組成，存取速度非?？?，寄存器的成本較高，因而數(shù)量較少。

CPU時鐘周期

CPU時鐘周期 ：通常為節(jié)拍脈沖或T周期，即主頻的倒數(shù)，它是CPU中基本時間單位。平時我們打游戲常說的超頻，超的就是這個CPU主頻。

舉個例子，主頻為3.0GHZ的CPU，一個時鐘周期大約是0.3納秒，內(nèi)存訪問大約需要120納秒，固態(tài)硬盤訪問大約需要50-150微秒，機(jī)械硬盤訪問大約需要1-10毫秒，最后網(wǎng)絡(luò)訪問最慢，得幾十毫秒左右。

這個大家可能對時間不怎么敏感，那如果我們把 一個時鐘周期如果按1秒算的話，內(nèi)存訪問大約就是6分鐘 ，固態(tài)硬盤大約是2-6天 ，傳統(tǒng)硬盤大約是1-12個月，網(wǎng)絡(luò)訪問就得幾年了 ！我們可以發(fā)現(xiàn)CPU的速度和內(nèi)存等存儲器的速度，完全不是一個量級上的。

高速緩存

為了彌補 CPU 與內(nèi)存兩者之間的性能差異，就在 CPU 內(nèi)部引入了 CPU Cache，也稱高速緩存。CPU Cache用的是 SRAM (Static Random-Access Memory)的芯片，也叫 靜態(tài)隨機(jī)存儲器。 其只要有電，數(shù)據(jù)就可以保持存在，而一旦斷電，數(shù)據(jù)就會丟失。

CPU Cache 通常分為大小不等的 三級緩存 ，分別是 L1 Cache 、L2 Cache 和 L3 Cache

我們可以發(fā)現(xiàn)越靠近 CPU 核心的緩存其訪問速度越快。

程序執(zhí)行時，會先將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)加載到共享的 L3 Cache 中，再加載到每個核心獨有的 L2 Cache，最后 進(jìn)入到最快的 L1 Cache，之后才會被 CPU 讀取。層級關(guān)系如下圖：

主存

主存 ，直接與CPU交換信息，就是我們熟悉的 內(nèi)存 。它使用的是一種叫作 DRAM ( Dynamic Random Access Memory )的芯片，也叫 動態(tài)隨機(jī)存取存儲器 。斷電后內(nèi)存的數(shù)據(jù)是會丟失。DRAM 芯片的密度更高，功耗更低，有更大的容量，造價比 SRAM 芯片便宜很多，但速度比SRAM 芯片慢的多。

內(nèi)存速度大概在 200~300 個 時鐘周期之間

固態(tài)硬盤

固體硬盤(Solid-state Disk, SSD)，數(shù)據(jù)直接存在閃存顆粒中，并且由主控單元記錄數(shù)據(jù)存儲位置和數(shù)據(jù)操作，每一個閃存顆粒的存儲容量是有限的;

但是它相比內(nèi)存的優(yōu)點是 斷電后數(shù)據(jù)還是存在的 ，SSD固體硬盤的讀寫速度雖然比內(nèi)存的大概慢10~1000 倍，但比機(jī)械硬盤快多了，當(dāng)然價格也昂貴很多。不過隨著時代的發(fā)展，固態(tài)硬盤的價格慢慢趨向接近機(jī)械硬盤。

機(jī)械硬盤

機(jī)械硬盤（ Hard Disk Drive, HDD ），它是通過物理讀寫的方式來訪問數(shù)據(jù)的，機(jī)械硬盤在盤面上寫數(shù)據(jù)、磁盤轉(zhuǎn)動，機(jī)械臂移動，比較原始的數(shù)據(jù)讀寫方式，就像近現(xiàn)代的留聲機(jī)發(fā)聲原理一樣。

由于受限于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與指針尋址的時間限制，因此它訪問速度是非常慢的，它的速度比內(nèi)存慢 10W 倍左右。當(dāng)然機(jī)械硬盤也是有其優(yōu)點的：容量大，價格便宜，恢復(fù)數(shù)據(jù)難度低，因此數(shù)據(jù)放在機(jī)械硬盤中比較保險。