缓存，怎么改变的电脑速度？

龙飞电脑工作室 · 发表于 2024-7-13 08:12:20

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细心的朋友可能还会发现，如今无论是买CPU还是固态硬盘，缓存（Cache）扮演着至关重要的角色。“有缓”“大缓”成了很多朋友追求的目标，无论是AMD的X3D系列的惊人游戏表现还是旗舰SSD的高速存取，都离不开它。它是如何改变电脑速度的？

让最常用的数据在最快的存储单元里

缓存是一种高速存储技术，用于存储最近访问的数据或当前最常用的指令，以加快对相同数据的后续访问速度。对于CPU而言，它本身是一种小容量但访问速度极快的存储器，通常位于处理器和主存储器也就是内存条之间。而对于固态硬盘或者机械硬盘，它位于主控芯片和存储颗粒、盘片之间。

当处理器/硬盘需要读取或写入数据时，首先会检查缓存中是否已经存在该数据。如果存在，即发生了缓存命中（Cache Hit），处理器可以直接从缓存中快速获取数据；如果不存在，即发生了缓存未命中（Cache Miss），处理器则需要从较慢的内存条的“数据库”中读取数据，并将其加载到缓存中以供后续使用。

然后是执行写策略：缓存系统可以采用不同的写策略，如写直通（Write-Through）和写回（Write-Back）。写直通策略在数据被写入缓存的同时也会写入主存储器，而写回策略则仅在数据被替换出缓存时才写回主存储器。

另外，缓存运作，还涉及到所谓替换算法：当缓存已满且需要加载新数据时，需要决定哪个数据块被替换。常见的替换算法包括最近最少使用（LRU）和随机替换等。不同的替换算法，对于缓存的命中率有非常高的影响。

而缓存的设计，还基于两个重要的局部性原理：时间局部性（Temporal Locality）和空间局部性（Spatial Locality）。时间局部性指的是一旦访问过某个数据，不久后很可能再次访问该数据；空间局部性则是指如果访问了某个内存位置，那么与其相邻的内存位置也很可能被访问。

缓存在哪里？

Cache的硬件芯片，一般是超高速的SRAM或者DRAM。如今，CPU的Cache已经集成到了封装之内，很难看到真容。不过在固态硬盘或者硬盘上，还能在PCB上看到实体的Cache芯片。

另外，在早期的电脑中，Cache就更为明显了。在“奔腾”芯片以前，高端的386、486等主板和一般主板的区别，就是拥有板载的Cache芯片。下图就是一个486主板上的Cache芯片阵列。

缓存的类型有哪些？

缓存根据其映射方式可以分为以下几种类型：

1.直接映射缓存（Direct Mapped Cache）：在这种类型的缓存中，每个缓存位置都有一个固定的地址范围与之对应。当一个数据块被加载到缓存中时，它只能被放置在预先确定的位置。这种设计简单，但可能会导致缓存冲突。
2.全关联缓存（Fully Associative Cache）：与直接映射缓存不同，全关联缓存允许任何数据块被存储在任何位置。这种灵活性可以减少缓存冲突，但实现起来成本较高。
3. 集合关联缓存（Set Associative Cache）：集合关联缓存是直接映射和全关联缓存的折中方案。它将缓存分为多个集合，每个集合可以存储多个数据块。这种设计在减少缓存冲突和成本之间取得了平衡。
4. 扇区映射（Sector Mapping）：这种缓存设计将内存和缓存划分为固定大小的块，称为扇区。当一个数据块被加载到缓存中时，它可以被放置在任何扇区的相应位置。这种设计利用了数据访问的局部性，减少了标签的存储需求。

减少重复满速加载=快

缓存技术由于减少了最常用的数据和指令在慢速存储器（内存条、硬盘）上的重复加载和慢速加载，因此就极大的提高了使用它的部件的工作效率，所以在电脑中应用很广。

1.处理器缓存：现代处理器通常包含多级缓存，如L1、L2和L3缓存，以提高数据处理速度。L1 缓存是内置于处理器中的缓存，是计算机中最快且最昂贵的缓存。L1 缓存存储需要执行的最关键的文件，是处理器在执行指令时首先查看的内容。L2 缓存不如 L1 缓存快，但只是稍微慢一些，是计算机在执行指令时查看的第二层常用数据和指令集中地方。L3缓存容量最大也最慢，但仍然比内存条快很多，它就存储了相当多的当前应用程序的高频访问内容。

因此，有着巨大L3缓存的AMD X3D系列CPU的游戏性能好，原因就在于此。

而在90年代的电脑中，由于集成度低，CPU往往只有L1 Cache，而L2 Cache则多交给前面说的主板上的SRAM Cache模组，然后通过本地PCI总线和CPU、内存进行数据交换。

2.内存缓存：操作系统使用内存缓存来存储频繁访问的数据，减少对磁盘的访问次数。所谓的“虚拟磁盘”，就是使用内存条上的颗粒空间作为“磁盘空间”，提高操作系统的工作效率。

3. 磁盘缓存：磁盘缓存通过将最近访问的数据存储在RAM中，提高了磁盘的读写性能。最常见的就是SSD上的DRAM硬件缓存。

4.网络缓存：网络缓存，如代理服务器和CDN（内容分发网络），通过在不同的网络上的服务器上存储热门内容的副本，来减少网络流量和提高访问速度。

5.Web浏览器缓存：浏览器缓存通过存储网页和资源的副本，加快了网页的加载速度（例如网页的固定栏目资源），并减少了重复下载的需要。

随着技术的发展，缓存设计和应用将继续演变，以满足日益增长的性能需求。

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