计算机二级与三级缓存对存储速率的影响

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　　摘  要：计算机科学技术经历了几十年的发展，已经在越来越多的技术领域得到了应用。计算机的性能影响到了计算机的工作效率，通过对计算机二级缓存和三级缓存性能与特点的分析，可以根据其特点提升计算机的性能，从而降低计算机的生产成本。该文从二级缓存和三级缓存对计算机性能的影响角度进行分析，找到计算机高速读取和提升存储速率的性能优势，并分析了三级缓存对于CPU的独特作用，最终得出了提升二级缓存和三级缓存对于计算机性能提升的优势作用。
　　关键词：三级缓存  二级缓存  存储效率
　　中图分类号：TP391                                 文献标识码：A                          文章编号：1672-3791（2019）04（b）-0021-02
　　随着计算机技术的不断进步，计算机技术领域获得了快速的前进，根据摩尔定律所预测的结果，半导体行业间隔一段时间就会有跨越式的发展，生产工艺的提升会有明显的迹象。很多情况下，即使生产成本始终保持不变，计算机部件的运算性能也将会有巨大提升。计算机的最核心组成部分都是半导体，有很多核心组成材料都是半导体所组成，所以摩尔定律也基本能上可以在计算机配件领域得到运用。根据上述分析，计算机产业的发展速度将会持续下去，但是在当今，考虑到非常多的具体应用领域已经有了快速的发展进步，计算机的性能只有在不断提升的基础上才能满足大众的基本需求，计算机性能的提升具体而言需要在满足公众需求的基础之上，寻找新的发展动力和空间，人们开始不断尝试在软件技术方面进行提升，因此来满足公众对于性能的追求，人们需要在整体提升计算机效率的基础上，寻求软件技术的进步，这样可以提升计算机的整体运行效果，正是在上述背景之下，计算机的CPU缓存技术被提出来。
　　1  二级缓存和三级缓存简介
　　现代计算机都是在一种叫做图灵机的模式之下发展进步而来的。计算机的结构经过了冯诺依曼等人的改进，已经有所优化，逐步形成了现代计算机的基本架构。计算机程序在运行方面以及执行程序和任务的过程之中，所依靠的主要是中央处理器，也就是通常人们称作CPU的部位。如果CPU可正常的运转，所需要依靠的就是大量的存储数据，但是受到计算机技术发展初期的一系列技术瓶颈的限制，计算机所可以存储的数据能量非常有限，在这种状态下，计算机的运行能力不足，能够执行的只是一些简单的任务，计算机内存的读取无法满足实践中的运算需求。随着CPU性能的提升，其主频率甚至都可以达到Ghz的高能力，同时多核处理器也逐步出现，虽然同时期内存从单通道已经开始发展出现多通道，但是基本的性能还是无法满足CPU的基本需求。在这样的状况之下，开始有人发明了Cache的方法，这种方法就是通过高速缓存的技术，实现多功能的应用，在概念刚刚被提出来的时候，缓存的数量还只有一种，在这种状态下CPU执行任务的时候，都是首先选择从缓存中对数据实现读取功能，运算的效率就得到了极大的提高。但是计算机的任务越来越复杂，计算量也有逐步增大的趋势，在这种情况之下，如果缓存的数量只有一个，那么缓存的空间将会是非常有限的，如果计算量越来越大，很多命令在执行的过程中遇到需要内存的情况，会需要从内存中逐步查找，出于提升CPU整体性能的考虑，在计算量越来越大的情况下，如果只有一个缓存，存储的空间会非常有限，很多命令都无法释放到缓存当中，为了从整体上提升CPU的性能，需要在缓存的基础之上，再加上二级缓存或三级缓存。如果说只有一个缓存的话，计算机的运行性能无法得到满足，二级缓存和三级缓存出现的时间非常晚，在遇到只有一个缓存的情况时，实质上已经有了非常明显的变化，同时经过了多年的发展之后，在CPU的性能方面有所提升。考虑到一些CPU的性能并不是非常高，在没有二级缓存和三级缓存的情况之下，遇到造价比较高的CPU的时候，通过市场调查可以查明，在众多提升计算机性能的办法之中，还包括有提升内存的容量、提升处理器的频率等，但二级缓存和三级缓存在这些方面从技术上而言更加容易实现。比如说CPU的性能提升方面，需要具备更加优良的工艺技术，但是二级缓存和三级缓存却可以轻易地达到性能提升的目的。因为其性能提升是只有当CPU需要增加部分模块的时候，所以三级缓存刚开始出现的时候，还有一种外置存储器的办法应用比较广泛。从其发展经历可以看出，计算机的二级缓存和三级缓存的特点十分鲜明，利用二级缓存和三级缓存提升计算机性能的方法和其他的方式相比较，更加简单，同时成本消耗更少。三级缓存和一级缓存的工作方法相比较，更加简单，可以明显地提升处理器的工作能力。计算机的二级缓存和三级缓变成了计算机处理性能提升的一种标杆。
　　2  计算机二级缓存和三级缓存的发展
　　翻阅历史科技资料可以发现，除了二级缓存和三级缓存的存储容量提升之外，其速率也有逐步增加，在比较早的时候，二级缓存甚至三级缓存都只有KB级别的，到现在都发展到了MB的级别，其性能发展的最重要标志为容量的提升。实际上，计算机的性能随着二级缓存和三级缓存的发展已经有了飞速的进步。随着缓存的性能提升，计算机的效率已经有了巨大的提高，同时处理器的价格也有所增加，经过多年的发展之后，中央处理器已经开始根据二级缓存的容量来划分成不同的档次，所以说二级缓存相对于三级缓存来说更加重要，由于历史因素的影响，我国的计算机研究发展的时间开始不算太早，和西方的一些起步早的国家相比，长时间处于水准较低的水平，我國的计算机水平和国外相比仍然有比较大的差距，导致我国CPU的类型跟不上国际趋势，我国的厂家生产的只能是一些配件。 　　3  二级缓存与三级缓存的作用
　　现在的技术已经比较成熟，早期的二级缓存和三级缓存的应用主要是为了提升CPU的处理效率，但是计算机性能提升之后，二级缓存和三级缓存的应用出现在了硬盘等存储器之中，并且取得了很好的效果，CPU和硬盘都是计算机的核心部件，这些部件的性能都非常高，可以从整体上提升计算机的性能，根据摩尔定律，计算机产业的发展速度会非常快，特别是那些以半导体为原材料的内存以及CPU，都会随着半导体工艺的发展有飞速的进步，性能提升非常迅速。尤其是硬盘的发展特别快，存储空间的提升幅度很大，尽管硬盘的转速没有快速发展，但是其性能已经有了大幅度的提升。但是现阶段在计算机性能提升方面已经进入了瓶颈期，运用计算机性能测试的软件进行检测可以看出，很多部件的测评与前些年相比并不会有很大提升，即便是选购了市面上比较先进的部件，评分标准和前些年相10000r的硬盘已经出现，但是由于其性能不够稳定且造价高，还没有出现大范围普及。想要提升计算机的运行性能，一个更好的办法就是提升计算机核心部件的性能，也就是说需要提升计算机的工艺水平，例如对于65nm工艺来说，就需要不断提升精度，进化到22nm，在达到了更高精度之后，中央处理器的性能有了飞速发展。中央处理器的性能每经过18个月就会产生翻倍的效果，但是进入到20nm的水平之后，还会不会继续翻倍，很多科学家都有所怀疑，在这样的情况下，如何让计算机的性能继续提升，已经成为计算机研究者的新课题。计算机实质上包含硬件和软件等不同的部分，硬件的部分对于计算机起到的是决定性的作用，硬件的水平如果不好的话，软件利用得再好，计算机的性能也无法得到优化。软件可以很好地起到对计算机性能的优化作用，二级缓存和三级缓存可以很好地使上述问题得到解决，所以说，二级缓存和三级缓存的出现，从根本上提升了计算机架构的设计水平，由于在正常的通信环节增加了更高速缓存的空间，从根本上提升了数据库的运行效率，这样不仅仅是生产工艺本身能力的提升，还在软件方面有所优化，从根本上帮助计算机的性能获得了提升，同时花费的费用要更低。
　　4  二级缓存和三级缓存对存储速率的影响
　　计算机科技还在不断的发展，需要存储的数据只会越来越多，CPU等核心部件的性能也会有所提升，CPU执行计算机当中的指令的时候，一般是首先对内存的数据进行读取操作，很多内存的存储数据还达不到要求，在读取的时候容易出现一些读取数据效果不好的问题，导致读取的效率低下，长期下去会对CPU的性能带来严重的影响，缓存的出现实际上解决了上述问题，Cache是一种高速的缓存，这种工作机制和内存不同的部件有着自身的运行机理，它们的工作方法和内存有所不同，在其运行的过程中，可能会存储一些命令在缓存任务之中。CPU对这些命令进行读取的时候，可能从缓存的数据之中读取数据，这样效率方面将会有巨大提升。为了从根本上解决讀取时间问题，提升处理器的工作性能，计算机在历经多年的进步之后已经可以处理更加复杂一些的任务，如果是仅仅只有一级缓存已经无法满足工作的需要了，尽管一级缓存的数量级别已经有所增加，但是毕竟存储的数据是有限的，依靠一级缓存已经无法满足日常的需求，为了提升计算机的读取速率，计算机的二级缓存和三级缓存开始冒头，这些方法就很好地解决了目标上的挑战，命令经过分类之后，在使用的频率和效果方面有巨大提升，其频率和重要性都有所增强。执行的命令一般放入二级缓存当中，这样就可以从根本上提升读取的效率。经过之前的分析，我们可以察觉，三级缓存有着非常关键的作用，实现的是高速存储的功能，可以实现数据读取的高效化，从而显著地提升数据利用的效果。这也是在CPU之上设置缓存的效果，计算机的技术在后来又取得了更长足的进步，人们对缓存的概念又有了新的认知，开始将其应用到了硬盘的存储之中。例如运用这些技术来提升存储数据的效果，在核心的计算机部件之中，硬盘的使用效率通常比较慢，硬盘的存储空间尽管已经有了一些提升，但是存储的效率还是依据的硬盘的转数，目前大多数转数基本上在7000r的水平，数据每秒所存储的大约是40MB的水平，硬盘的工作机制对数据存储影响非常大，考虑到数据存储的效果问题，这样的存储水平实际上影响了数据存储的效果，现在已经出现有10000r/min的硬盘，但是还没有得到推广应用。
　　参考文献
　　[1] 房振满.多核缓存系统优化及评测研究[D].复旦大学，2014.
　　[2] 叶晨，张延园.一种海量存储系统二级缓存的设计与实现[J].计算机与现代化，2013（12）：52-55.
　　①作者简介：程可（1995，9—），男，汉族，湖北孝感人，本科在读，研究方向：计算机。
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