計算機二級與三級緩存對存儲速率的影響
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摘 要：計算機科學技術經歷了幾十年的發展，已經在越來越多的技術領域得到了應用。計算機的性能影響到了計算機的工作效率，通過對計算機二級緩存和三級緩存性能與特點的分析，可以根據其特點提升計算機的性能，從而降低計算機的生產成本。該文從二級緩存和三級緩存對計算機性能的影響角度進行分析，找到計算機高速讀取和提升存儲速率的性能優勢，并分析了三級緩存對于CPU的獨特作用，最終得出了提升二級緩存和三級緩存對于計算機性能提升的優勢作用。
關鍵詞：三級緩存 二級緩存 存儲效率
中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）04（b）-0021-02
隨著計算機技術的不斷進步，計算機技術領域獲得了快速的前進，根據摩爾定律所預測的結果，半導體行業間隔一段時間就會有跨越式的發展，生產工藝的提升會有明顯的跡象。很多情況下，即使生產成本始終保持不變，計算機部件的運算性能也將會有巨大提升。計算機的最核心組成部分都是半導體，有很多核心組成材料都是半導體所組成，所以摩爾定律也基本能上可以在計算機配件領域得到運用。根據上述分析，計算機產業的發展速度將會持續下去，但是在當今，考慮到非常多的具體應用領域已經有了快速的發展進步，計算機的性能只有在不斷提升的基礎上才能滿足大眾的基本需求，計算機性能的提升具體而言需要在滿足公眾需求的基礎之上，尋找新的發展動力和空間，人們開始不斷嘗試在軟件技術方面進行提升，因此來滿足公眾對于性能的追求，人們需要在整體提升計算機效率的基礎上，尋求軟件技術的進步，這樣可以提升計算機的整體運行效果，正是在上述背景之下，計算機的CPU緩存技術被提出來。
1 二級緩存和三級緩存簡介
現代計算機都是在一種叫做圖靈機的模式之下發展進步而來的。計算機的結構經過了馮諾依曼等人的改進，已經有所優化，逐步形成了現代計算機的基本架構。計算機程序在運行方面以及執行程序和任務的過程之中，所依靠的主要是中央處理器，也就是通常人們稱作CPU的部位。如果CPU可正常的運轉，所需要依靠的就是大量的存儲數據，但是受到計算機技術發展初期的一系列技術瓶頸的限制，計算機所可以存儲的數據能量非常有限，在這種狀態下，計算機的運行能力不足，能夠執行的只是一些簡單的任務，計算機內存的讀取無法滿足實踐中的運算需求。隨著CPU性能的提升，其主頻率甚至都可以達到Ghz的高能力，同時多核處理器也逐步出現，雖然同時期內存從單通道已經開始發展出現多通道，但是基本的性能還是無法滿足CPU的基本需求。在這樣的狀況之下，開始有人發明了Cache的方法，這種方法就是通過高速緩存的技術，實現多功能的應用，在概念剛剛被提出來的時候，緩存的數量還只有一種，在這種狀態下CPU執行任務的時候，都是首先選擇從緩存中對數據實現讀取功能，運算的效率就得到了極大的提高。但是計算機的任務越來越復雜，計算量也有逐步增大的趨勢，在這種情況之下，如果緩存的數量只有一個，那么緩存的空間將會是非常有限的，如果計算量越來越大，很多命令在執行的過程中遇到需要內存的情況，會需要從內存中逐步查找，出于提升CPU整體性能的考慮，在計算量越來越大的情況下，如果只有一個緩存，存儲的空間會非常有限，很多命令都無法釋放到緩存當中，為了從整體上提升CPU的性能，需要在緩存的基礎之上，再加上二級緩存或三級緩存。如果說只有一個緩存的話，計算機的運行性能無法得到滿足，二級緩存和三級緩存出現的時間非常晚，在遇到只有一個緩存的情況時，實質上已經有了非常明顯的變化，同時經過了多年的發展之后，在CPU的性能方面有所提升?？紤]到一些CPU的性能并不是非常高，在沒有二級緩存和三級緩存的情況之下，遇到造價比較高的CPU的時候，通過市場調查可以查明，在眾多提升計算機性能的辦法之中，還包括有提升內存的容量、提升處理器的頻率等，但二級緩存和三級緩存在這些方面從技術上而言更加容易實現。比如說CPU的性能提升方面，需要具備更加優良的工藝技術，但是二級緩存和三級緩存卻可以輕易地達到性能提升的目的。因為其性能提升是只有當CPU需要增加部分模塊的時候，所以三級緩存剛開始出現的時候，還有一種外置存儲器的辦法應用比較廣泛。從其發展經歷可以看出，計算機的二級緩存和三級緩存的特點十分鮮明，利用二級緩存和三級緩存提升計算機性能的方法和其他的方式相比較，更加簡單，同時成本消耗更少。三級緩存和一級緩存的工作方法相比較，更加簡單，可以明顯地提升處理器的工作能力。計算機的二級緩存和三級緩變成了計算機處理性能提升的一種標桿。
2 計算機二級緩存和三級緩存的發展
翻閱歷史科技資料可以發現，除了二級緩存和三級緩存的存儲容量提升之外，其速率也有逐步增加，在比較早的時候，二級緩存甚至三級緩存都只有KB級別的，到現在都發展到了MB的級別，其性能發展的最重要標志為容量的提升。實際上，計算機的性能隨著二級緩存和三級緩存的發展已經有了飛速的進步。隨著緩存的性能提升，計算機的效率已經有了巨大的提高，同時處理器的價格也有所增加，經過多年的發展之后，中央處理器已經開始根據二級緩存的容量來劃分成不同的檔次，所以說二級緩存相對于三級緩存來說更加重要，由于歷史因素的影響，我國的計算機研究發展的時間開始不算太早，和西方的一些起步早的國家相比，長時間處于水準較低的水平，我國的計算機水平和國外相比仍然有比較大的差距，導致我國CPU的類型跟不上國際趨勢，我國的廠家生產的只能是一些配件。 3 二級緩存與三級緩存的作用
現在的技術已經比較成熟，早期的二級緩存和三級緩存的應用主要是為了提升CPU的處理效率，但是計算機性能提升之后，二級緩存和三級緩存的應用出現在了硬盤等存儲器之中，并且取得了很好的效果，CPU和硬盤都是計算機的核心部件，這些部件的性能都非常高，可以從整體上提升計算機的性能，根據摩爾定律，計算機產業的發展速度會非?？欤貏e是那些以半導體為原材料的內存以及CPU，都會隨著半導體工藝的發展有飛速的進步，性能提升非常迅速。尤其是硬盤的發展特別快，存儲空間的提升幅度很大，盡管硬盤的轉速沒有快速發展，但是其性能已經有了大幅度的提升。但是現階段在計算機性能提升方面已經進入了瓶頸期，運用計算機性能測試的軟件進行檢測可以看出，很多部件的測評與前些年相比并不會有很大提升，即便是選購了市面上比較先進的部件，評分標準和前些年相10000r的硬盤已經出現，但是由于其性能不夠穩定且造價高，還沒有出現大范圍普及。想要提升計算機的運行性能，一個更好的辦法就是提升計算機核心部件的性能，也就是說需要提升計算機的工藝水平，例如對于65nm工藝來說，就需要不斷提升精度，進化到22nm，在達到了更高精度之后，中央處理器的性能有了飛速發展。中央處理器的性能每經過18個月就會產生翻倍的效果，但是進入到20nm的水平之后，還會不會繼續翻倍，很多科學家都有所懷疑，在這樣的情況下，如何讓計算機的性能繼續提升，已經成為計算機研究者的新課題。計算機實質上包含硬件和軟件等不同的部分，硬件的部分對于計算機起到的是決定性的作用，硬件的水平如果不好的話，軟件利用得再好，計算機的性能也無法得到優化。軟件可以很好地起到對計算機性能的優化作用，二級緩存和三級緩存可以很好地使上述問題得到解決，所以說，二級緩存和三級緩存的出現，從根本上提升了計算機架構的設計水平，由于在正常的通信環節增加了更高速緩存的空間，從根本上提升了數據庫的運行效率，這樣不僅僅是生產工藝本身能力的提升，還在軟件方面有所優化，從根本上幫助計算機的性能獲得了提升，同時花費的費用要更低。
4 二級緩存和三級緩存對存儲速率的影響
計算機科技還在不斷的發展，需要存儲的數據只會越來越多，CPU等核心部件的性能也會有所提升，CPU執行計算機當中的指令的時候，一般是首先對內存的數據進行讀取操作，很多內存的存儲數據還達不到要求，在讀取的時候容易出現一些讀取數據效果不好的問題，導致讀取的效率低下，長期下去會對CPU的性能帶來嚴重的影響，緩存的出現實際上解決了上述問題，Cache是一種高速的緩存，這種工作機制和內存不同的部件有著自身的運行機理，它們的工作方法和內存有所不同，在其運行的過程中，可能會存儲一些命令在緩存任務之中。CPU對這些命令進行讀取的時候，可能從緩存的數據之中讀取數據，這樣效率方面將會有巨大提升。為了從根本上解決讀取時間問題，提升處理器的工作性能，計算機在歷經多年的進步之后已經可以處理更加復雜一些的任務，如果是僅僅只有一級緩存已經無法滿足工作的需要了，盡管一級緩存的數量級別已經有所增加，但是畢竟存儲的數據是有限的，依靠一級緩存已經無法滿足日常的需求，為了提升計算機的讀取速率，計算機的二級緩存和三級緩存開始冒頭，這些方法就很好地解決了目標上的挑戰，命令經過分類之后，在使用的頻率和效果方面有巨大提升，其頻率和重要性都有所增強。執行的命令一般放入二級緩存當中，這樣就可以從根本上提升讀取的效率。經過之前的分析，我們可以察覺，三級緩存有著非常關鍵的作用，實現的是高速存儲的功能，可以實現數據讀取的高效化，從而顯著地提升數據利用的效果。這也是在CPU之上設置緩存的效果，計算機的技術在后來又取得了更長足的進步，人們對緩存的概念又有了新的認知，開始將其應用到了硬盤的存儲之中。例如運用這些技術來提升存儲數據的效果，在核心的計算機部件之中，硬盤的使用效率通常比較慢，硬盤的存儲空間盡管已經有了一些提升，但是存儲的效率還是依據的硬盤的轉數，目前大多數轉數基本上在7000r的水平，數據每秒所存儲的大約是40MB的水平，硬盤的工作機制對數據存儲影響非常大，考慮到數據存儲的效果問題，這樣的存儲水平實際上影響了數據存儲的效果，現在已經出現有10000r/min的硬盤，但是還沒有得到推廣應用。
參考文獻
[1] 房振滿.多核緩存系統優化及評測研究[D].復旦大學，2014.
[2] 葉晨，張延園.一種海量存儲系統二級緩存的設計與實現[J].計算機與現代化，2013（12）：52-55.
①作者簡介：程可（1995，9—），男，漢族，湖北孝感人，本科在讀，研究方向：計算機。
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