前言

大家如果想自己組裝電腦的話，肯定需要購買一個 CPU，但是儲存器方面的裝置，分類比較多，那我們肯定不能只買一種儲存器，比如你除了要買記憶體，還要買硬碟，而針對硬碟我們還可以選擇是固態硬碟還是機械硬碟。

相信大家都知道記憶體和硬碟都屬於計算機的儲存裝置，斷電後記憶體的資料是會丟失的，而硬碟則不會，因為硬碟是持久化儲存裝置，同時也是一個 I/O 裝置。

但其實 CPU 內部也有儲存資料的元件，這個應該比較少人注意到，比如暫存器、CPU L1/L2/L3 Cache 也都是屬於儲存裝置，只不過它們能儲存的資料非常小，但是它們因為靠近 CPU 核心，所以訪問速度都非常快，快過硬碟好幾個數量級別。

問題來了，那機械硬碟、固態硬碟、記憶體這三個儲存器，到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢？

在回答這個問題之前，我們先來看看「儲存器的層次結構」，好讓我們對儲存器裝置有一個整體的認識。

正文

儲存器的層次結構

我們想象中一個場景，大學期末準備考試了，你前去圖書館臨時抱佛腳。那麼，在看書的時候，我們的大腦會思考問題，也會記憶知識點，另外我們通常也會把常用的書放在自己的桌子上，當我們要找一本不常用的書，則會去圖書館的書架找。

就是這麼一個小小的場景，已經把計算機的儲存結構基本都涵蓋了。

我們可以把 CPU 比喻成我們的大腦，大腦正在思考的東西，就好比 CPU 中的暫存器，處理速度是最快的，但是能儲存的資料也是最少的，畢竟我們也不能一下同時思考太多的事情，除非你練過。

我們大腦中的記憶，就好比 CPU Cache，中文稱為 CPU 快取記憶體，處理速度相比暫存器慢了一點，但是能儲存的資料也稍微多了一些。

CPU Cache 通常會分為 L1、L2、L3 三層，其中 L1 Cache 通常分成「資料快取」和「指令快取」，L1 是距離 CPU 最近的，因此它比 L2、L3 的讀寫速度都快、儲存空間都小。我們大腦中短期記憶，就好比 L1 Cache，而長期記憶就好比 L2/L3 Cache。

暫存器和 CPU Cache 都是在 CPU 內部，跟 CPU 挨著很近，因此它們的讀寫速度都相當的快，但是能儲存的資料很少，畢竟 CPU 就這麼丁點大。

知道 CPU 內部的儲存器的層次分佈，我們放眼看看 CPU 外部的儲存器。

當我們大腦記憶中沒有資料的時候，可以從書桌或書架上拿書來閱讀，那我們桌子上的書，就好比記憶體，我們雖然可以一伸手就可以拿到，但讀寫速度肯定遠慢於暫存器，那圖書館書架上的書，就好比硬碟，能儲存的資料非常大，但是讀寫速度相比記憶體差好幾個數量級，更別說跟暫存器的差距了。

我們從圖書館書架取書，把書放到桌子上，再閱讀書，我們大腦就會記憶知識點，然後再經過大腦思考，這一系列過程相當於，資料從硬碟載入到記憶體，再從記憶體載入到 CPU 的暫存器和 Cache 中，然後再通過 CPU 進行處理和計算。

對於儲存器，它的速度越快、能耗會越高、而且材料的成本也是越貴的，以至於速度快的儲存器的容量都比較小。

CPU 裡的暫存器和 Cache，是整個計算機儲存器中價格最貴的，雖然儲存空間很小，但是讀寫速度是極快的，而相對比較便宜的記憶體和硬碟，速度肯定比不上 CPU 內部的儲存器，但是能彌補儲存空間的不足。

儲存器通常可以分為這麼幾個級別：

• 暫存器；
• CPU Cache；
  1. L1-Cache；
  2. L2-Cache；
  3. L3-Cahce；
• 記憶體；
• SSD/HDD 硬碟

暫存器

最靠近 CPU 的控制單元和邏輯計算單元的儲存器，就是暫存器了，它使用的材料速度也是最快的，因此價格也是最貴的，那麼數量不能很多。

儲存器的數量通常在幾十到幾百之間，每個暫存器可以用來儲存一定的位元組（byte）的資料。比如：

• 32 位 CPU 中大多數暫存器可以儲存 4 個位元組；
• 64 位 CPU 中大多數暫存器可以儲存 8 個位元組。

暫存器的訪問速度非常快，一般要求在半個 CPU 時鐘週期內完成讀寫，CPU 時鐘週期跟 CPU 主頻息息相關，比如 2 GHz 主頻的 CPU，那麼它的時鐘週期就是 1/2G，也就是 0.5ns（納秒）。

CPU 處理一條指令的時候，除了讀寫暫存器，還需要解碼指令、控制指令執行和計算。如果暫存器的速度太慢，則會拉長指令的處理週期，從而給使用者的感覺，就是電腦「很慢」。

CPU Cache

CPU Cache 用的是一種叫 SRAM（Static Random-Access Memory，靜態隨機儲存器） 的晶片。

SRAM 之所以叫「靜態」儲存器，是因為只要有電，資料就可以保持存在，而一旦斷電，資料就會丟失了。

在 SRAM 裡面，一個 bit 的資料，通常需要 6 個電晶體，所以 SRAM 的儲存密度不高，同樣的物理空間下，能儲存的資料是有限的，不過也因為 SRAM 的電路簡單，所以訪問速度非常快。

CPU 的快取記憶體，通常可以分為 L1、L2、L3 這樣的三層快取記憶體，也稱為一級快取、二次快取、三次快取。

L1 快取記憶體

L1 快取記憶體的訪問速度幾乎和暫存器一樣快，通常只需要 2~4 個時鐘週期，而大小在幾十 KB 到幾百 KB 不等。

每個 CPU 核心都有一塊屬於自己的 L1 快取記憶體，指令和資料在 L1 是分開存放的，所以 L1 快取記憶體通常分成指令快取和資料快取。

在 Linux 系統，我們可以通過這條命令，檢視 CPU 裡的 L1 Cache 「資料」快取的容量大小：

$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index0/size
32K

而檢視 L1 Cache 「指令」快取的容量大小，則是：

$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index1/size
32K

L2 快取記憶體

L2 快取記憶體同樣每個 CPU 核心都有，但是 L2 快取記憶體位置比 L1 快取記憶體距離 CPU 核心 更遠，它大小比 L1 快取記憶體更大，CPU 型號不同大小也就不同，通常大小在幾百 KB 到幾 MB 不等，訪問速度則更慢，速度在 10~20 個時鐘週期。

在 Linux 系統，我們可以通過這條命令，檢視 CPU 裡的 L2 Cache 的容量大小：

$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index2/size
256K

L3 快取記憶體

L3 快取記憶體通常是多個 CPU 核心共用的，位置比 L2 快取記憶體距離 CPU 核心 更遠，大小也會更大些，通常大小在幾 MB 到幾十 MB 不等，具體值根據 CPU 型號而定。

訪問速度相對也比較慢一些，訪問速度在 20~60個時鐘週期。

在 Linux 系統，我們可以通過這條命令，檢視 CPU 裡的 L3 Cache 的容量大小：

$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index3/size 
3072K

記憶體

記憶體用的晶片和 CPU Cache 有所不同，它使用的是一種叫作 DRAM （Dynamic Random Access Memory，動態隨機存取儲存器） 的晶片。

相比 SRAM，DRAM 的密度更高，功耗更低，有更大的容量，而且造價比 SRAM 晶片便宜很多。

DRAM 儲存一個 bit 資料，只需要一個電晶體和一個電容就能儲存，但是因為資料會被儲存在電容裡，電容會不斷漏電，所以需要「定時重新整理」電容，才能保證資料不會被丟失，這就是 DRAM 之所以被稱為「動態」儲存器的原因，只有不斷重新整理，資料才能被儲存起來。

DRAM 的資料訪問電路和重新整理電路都比 SRAM 更復雜，所以訪問的速度會更慢，記憶體速度大概在 200~300 個 時鐘週期之間。

SSD/HDD 硬碟

SSD（Solid-state disk） 就是我們常說的固體硬碟，結構和記憶體類似，但是它相比記憶體的優點是斷電後資料還是存在的，而記憶體、暫存器、快取記憶體斷電後資料都會丟失。記憶體的讀寫速度比 SSD 大概快 10~1000 倍。

當然，還有一款傳統的硬碟，也就是機械硬碟（Hard Disk Drive, HDD），它是通過物理讀寫的方式來訪問資料的，因此它訪問速度是非常慢的，它的速度比記憶體慢 10W 倍左右。

由於 SSD 的價格快接近機械硬碟了，因此機械硬碟已經逐漸被 SSD 替代了。

儲存器的層次關係

現代的一臺計算機，都用上了 CPU Cahce、記憶體、到 SSD 或 HDD 硬碟這些儲存器裝置了。

其中，儲存空間越大的儲存器裝置，其訪問速度越慢，所需成本也相對越少。

CPU 並不會直接和每一種儲存器裝置直接打交道，而是每一種儲存器裝置只和它相鄰的儲存器裝置打交道。

比如，CPU Cache 的資料是從記憶體載入過來的，寫回資料的時候也只寫回到記憶體，CPU Cache 不會直接把資料寫到硬碟，也不會直接從硬碟載入資料，而是先載入到記憶體，再從記憶體載入到 CPU Cache 中。

所以，每個儲存器只和相鄰的一層儲存器裝置打交道，並且儲存裝置為了追求更快的速度，所需的材料成本必然也是更高，也正因為成本太高，所以 CPU 內部的暫存器、L1\L2\L3 Cache 只好用較小的容量，相反記憶體、硬碟則可用更大的容量，這就我們今天所說的儲存器層次結構。

另外，當 CPU 需要訪問記憶體中某個資料的時候，如果暫存器有這個資料，CPU 就直接從暫存器取資料即可，如果暫存器沒有這個資料，CPU 就會查詢 L1 快取記憶體，如果 L1 沒有，則查詢 L2 快取記憶體，L2 還是沒有的話就查詢 L3 快取記憶體，L3 依然沒有的話，才去記憶體中取資料。

所以，儲存層次結構也形成了快取的體系。

儲存器之間的實際價格和效能差距

前面我們知道了，速度越快的儲存器，造價成本往往也越高，那我們就以實際的資料來看看，不同層級的儲存器之間的效能和價格差異。

下面這張表格是不同層級的儲存器之間的成本對比圖：

你可以看到 L1 Cache 的訪問延時是 1 納秒，而記憶體已經是 100 納秒了，相比 L1 Cache 速度慢了 100 倍。另外，機械硬碟的訪問延時更是高達 10 毫秒，相比 L1 Cache 速度慢了 10000000 倍，差了好幾個數量級別。

在價格上，每生成 MB 大小的 L1 Cache 相比記憶體貴了 466 倍，相比機械硬碟那更是貴了 175000 倍。

我在某東逛了下各個儲存器裝置的零售價，8G 記憶體 + 1T 機械硬碟 + 256G 固態硬碟的總價格，都不及一塊 Intle i5-10400 的 CPU 的價格，這款 CPU 的快取記憶體的總大小也就十多 MB。

總結

各種儲存器之間的關係，可以用我們在圖書館學習這個場景來理解。

CPU 可以比喻成我們的大腦，我們當前正在思考和處理的知識的過程，就好比 CPU 中的暫存器處理資料的過程，速度極快，但是容量很小。而 CPU 中的 L1-L3 Cache 好比我們大腦中的短期記憶和長期記憶，需要小小花費點時間來調取資料並處理。

我們面前的桌子就相當於記憶體，能放下更多的書（資料），但是找起來和看起來就要花費一些時間，相比 CPU Cache 慢不少。而圖書館的書架相當於硬碟，能放下比記憶體更多的資料，但找起來就更費時間了，可以說是最慢的儲存器裝置了。

從 暫存器、CPU Cache，到記憶體、硬碟，這樣一層層下來的儲存器，訪問速度越來越慢，儲存容量越來越大，價格也越來越便宜，而且每個儲存器只和相鄰的一層儲存器裝置打交道，於是這樣就形成了儲存器的層次結構。

再來回答，開頭的問題：那機械硬碟、固態硬碟、記憶體這三個儲存器，到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢？

CPU L1 Cache 隨機訪問延時是 1 納秒，記憶體則是 100 納秒，所以 CPU L1 Cache 比記憶體快 100 倍左右。

SSD 隨機訪問延時是 150 微妙，所以 CPU L1 Cache 比 SSD 快 150000 倍左右。

最慢的機械硬碟隨機訪問延時已經高達 10 毫秒，我們來看看機械硬碟到底有多「龜速」：

• SSD 比機械硬碟快 70 倍左右；
• 記憶體比機械硬碟快 100000 倍左右；
• CPU L1 Cache 比機械硬碟快 10000000 倍左右；

我們把上述的時間比例差異放大後，就能非常直觀感受到它們的效能差異了。如果 CPU 訪問 L1 Cache 的快取時間是 1 秒，那訪問記憶體則需要大約 2 分鐘，隨機訪問 SSD 裡的資料則需要 1.7 天，訪問機械硬碟那更久，長達近 4 個月。

可以發現，不同的儲存器之間效能差距很大，構造儲存器分級很有意義，分級的目的是要構造快取體系。

絮叨

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