解析计算机二级与三级缓存对存储速率的影响

倪冬梅

（宿迁市广播电视大学，江苏宿迁，223800）

随着计算机的普及应用，计算机技术得到了极大的发展，从摩尔定律可以知道，半导体加工业每隔十八个月，生产工艺就可以增加一倍，而生产成本保持不变，计算机的核心部件，都是以半导体为主要材料生产的，因此摩尔定律也可以适用在计算机领域，由此可以看出，计算机产业发展的速度[1]。但是进入到21世纪后，各个领域都得到了飞速的发展，对计算机的性能提出了更高的需求，依靠计算机硬件自身的发展，已经无法满足实际应用的需要，因此人们开始从软件技术方面，提升计算机的性能。二级缓存和三级缓存的理念，正是在这种背景下被提出来的。

一、计算机二级缓存和三级缓存简述

（一）计算机二级缓存和三级缓存的概念

现代计算机的出现，主要是建立在图灵机的基础上，经过冯诺依曼等人的优化后，逐渐的形成了现代计算机的架构。计算机在实际运行的过程中，主要依靠中央处理器来执行命令，通常情况下，CPU工作命令需要从内存中读取。在计算机发展的初期，受到技术水平的限制，计算机能够存储的数据有限，而且计算机的性能较低，只能执行一些简单的任务，内存的读取效率可以满足实际应用的需要。但是随着计算机性能的提高，CPU的主频率已经达到了GHz级别，而且出现了多核处理器，虽然内存也从单通道发展到了双通道，现在已经有了三通道内存，但是内存的读取效率依然无法满足CPU的需求，在这种背景下，人们提出了 Cache的理念，即高速缓存。在Cache理念出现的早期，只设立的一个缓存，这样CPU在处理命令的过程中，可以先从缓存中读取，这样可以极大地提高处理器的性能，但是随着计算机处理的任务越来越复杂，这个缓存的存储空间有限，很多命令都无法放到缓存中，这些命令的执行还是需要到内存中查找。因此为了进一步提高CPU的性能，人们在一级缓存的基础上，提出了二级缓存和三级缓存的理念。

（二）计算机二级缓存和三级缓存的特点

与计算机一级缓存相比，二级缓存和三级缓存出现的时间较晚，但是与一级缓存一样，其应用的目的都是为了提高处理器的性能，经过了多年的发展，现在CPU都具有一级缓存，但是一些低端型号的 CPU，还没有二级缓存和三级缓存，尤其是三级缓存，目前只有一些高端的 CPU，才会集成这个功能[2]。通过实际的调查可以知道，提高计算机性能的方法有很多，包括提高处理器的主频，增加内存的容量等，而二级缓存和三级缓存与这些方式相比，在技术上要更加容易，如 CPU主频和内存方面的提升，需要建立在加工工艺的基础上，而二级缓存和三级缓存就显得更加简单，只需要在CPU中添加相应的存储模块即可，在三级缓存出现的早期，甚至还采用了外置存储器的方式。由此可以看出，计算机二级缓存和三级缓存具有鲜明的特点，与其他提高计算机性能的方式相比，这种方式更加简单，而且成本较低，与传统的内存和一级缓存工作方式相比，能够更好地提高处理器的性能，因此计算机的二级缓存和三级缓存，已经成为衡量处理器性能的重要标志。

（三）计算机二级缓存和三级缓存的发展

从计算机二级缓存和三级缓存出现开始，由于其鲜明的特点，可以很好的提高计算机的性能，因此受到了人们足够的重视。在这种背景下，计算机二级缓存和三级缓存得到了快速的发展，通过实际的调查可以知道，二级缓存和三级缓存的发展，主要就是存储容量的提升，如早期的二级存储和三级存储，容量只有KB级别，现在的已经达到了MB的级别。二级缓存和三级缓存容量的提升，对于计算机性能的提高很大[3]，但是随着二级缓存和三级缓存容量的提升，处理器的价格也要提高一些，经过了多年的发展，现在中央处理器已经开始用二级缓存的容量，来划分产品的高低端档次，由此可以看出，二级缓存和三级缓存的重要性。受到特殊的历史因素影响，我国经济和科技的起步较晚，与西方一些发达国家相比，在计算机等领域中，具有较大的差距，目前市面上生产CPU的厂家主要有两个，分别是美国的英特尔和IBM公司，我国只能生产计算机的一些辅助部件，虽然我国有联想等计算机生产企业，但是仅仅从事组装的工作而已。

二、计算机二级缓存和三级缓存的作用

（一）提高计算机的性能

经过了多年的发展，计算机二级缓存和三级缓存的理念已经非常完善。早期的二级缓存和三级缓存，主要应用在 CPU中，以此来提高CPU处理的效率，但是随着计算机技术自身的发展，人们将二级缓存和三级缓存的理念，引入到了硬盘等存储器中，以此来提高存储的效率，并且取得了很好的效果。CPU、内存和硬盘作为计算机的核心部件，其中任何一个部件的性能得到提高，都能够在一定程度上提高计算机整体的性能，从摩尔定律可以知道，计算机产业发展的速度很快，尤其是以半导体为原材料的CPU和内存，随着半导体加工工艺的提升，其性能得到了极大地提高，其中硬盘的发展速度较慢，只有存储空间得到了提升，决定存储效率的硬盘转速，并没有得到很好的发展[4]。由此可以看出，计算机的发展已经进入了一个瓶颈，利用很多计算机性能检测软件可以发现，各个部件评测的分数具有较大的差距，即使采用目前市面上最先进的部件，评测分数最低的通常是硬盘，虽然一万转的固态硬盘已经出现，但由于其性能不是很稳定，而且成本非常高，因此还没有得到普及应用。

（二）降低生产成本

在传统的计算机部件生产中，要想提高计算机核心部件的性能，通常需要提高生产的工艺，如65nm加工工艺提升到22纳米，就可以极大的提高计算机中央处理器的性能，从摩尔定律可以知道，中央处理器的加工工艺每个十八个月就能翻倍，但是加工水平进入到20纳米级别后，摩尔定律还能够持续，很多专家和学者都持怀疑的态度。在这种背景下，如何继续提高计算机的性能，将会成为影响计算机应用的重要因素，由于计算机可以分成软件和硬件两个方面，虽然硬件对计算机性能起着决定性的作用，如果很好的利用软件优化，也可以在很大程度上提高计算机的性能，因此近几年出现了很多计算机优化技术。二级缓存和三级缓存的出现，很好的解决了这个问题，从某种意义上来说，应用二级缓存和三级缓存，改变了传统计算机的架构，在正常的线路通讯环节中，增加一个高速缓存的空间，这样就能够很好的提高数据读取的效率，这样既不用提高生产工艺，也不需要软件方面的优化，就可以很好的提高计算机的性能，而且从成本上来说，与提高生产工艺和优化技术相比，花费的费用要低很多。

三、计算机二级缓存和三级缓存对存储速率的影响

（一）提高读取的命中率

随着计算机技术的发展，能够存储的数据越来越多，中央处理器等核心部件的性能也得到了极大的提高，而中央处理器在执行相应的指令时，需要先从内存中读取，由于内存的存储速率较低，在实际读取的过程中，读取的速度较慢，而且容易读取命中率较低，严重地影响了CPU的性能。缓存的出现很好的解决了这个问题，由于Cache是高速缓存，与内存的工作机制不同，在实际的运行过程中，会把常用的一些命令，存储到这个缓存中，这样CPU在读取命令时，可以直接从缓存中读取，读取的效率要提高很多，这样减少了数据读取的时间，就可以很好的提高处理器性能。计算机经过了多年的发展，执行的任务越来越复杂，依靠一级缓存，已经无法满足日常使用的需要，虽然一级缓存的容量在不断的增加，但是只能存储有限的命令，这样就降低了读取的命中率，计算机二级缓存和三级缓存的出现，很好的解决这个问题，将常用的命令进行分类，根据使用的频率和重要程度等，分别存放到一级缓存、二级缓存和三级缓存中，就可以很好的提高读取的命中率。

（二）提高存储的速率

通过前面的分析可以知道，计算机二级缓存和三级缓存的主要作用，就是利用高速的缓存，提高数据读取的效率，这是中央处理上缓存的作用，而随着计算机技术的进步，人们将二级缓存和三级缓存的理念，引入到了硬盘的存储中，以此来提高数据存储的速率，在所有计算机核心部件中，硬盘的发展速度无疑是最慢的，虽然近些年存储空间得到了很大的提高，但是决定存储速率的硬盘转数，并没有得到明显的提高。目前计算机中的使用的硬盘，大多是每分钟7200转的，数据的存储速度可以达到每秒40兆左右，受到硬盘工作机制的影响，长时间的数据存储，会持续的降低存储的效率，虽然已经出现了每分钟一万转以上的固态硬盘，但是受到目前技术水平的限制，其容量很小而且成本较高，只有在一些高端的笔记本中采用。由此可以看出，如何提高计算机硬盘的存储速率，已经成为影响计算机发展的重要因素，依靠传统的方法，显然无法很好的达到这个目的，因此人们将CPU中缓存的理念引入到硬盘中，在硬盘中添加了缓存的机制，这样数据会先存储到缓存中，在缓存中的数据积累到一定的程度，一起写入到硬盘中，很好地提高了计算机存储的速率。

四、计算机三级缓存的特殊性

目前市面上的 CPU，出于提高性能的目的，几乎都具有了一级缓存，而且缓存的空间比较大，而计算机二级缓存虽然经过了多年的发展，工作机制上已经比较完善，但是受到技术水平和成本上的限制，不同型号的 CPU，二级缓存的空间具有很大的差异，因此二级缓存已经成为了衡量CPU的一个重要参数。三级缓存比二级缓存更加高级，虽然能够进一步提高计算机的性能，但是对于普通的个人用户来说，二级缓存就能够满足实际的需要，三级缓存几乎没有作用，因此市面上的很多 CPU，都没有三级缓存的配置，只有一些服务器使用的CPU，才会增加三级缓存的配置。经过了一级缓存和二级缓存的优化后，CPU的读取效率已经有了很大的提升，三级缓存对于CPU瞬间的读取效率并没有明显的提升，只有计算机长期工作的状态下，三级缓存才能够发挥一定的作用，普通的个人计算机，很少会长时间的开机，只有一些服务器才需要不停的作用，因此三级缓存对于服务器的CPU来说，具有非常重要的作用。

通过全文分析可以知道，计算机二级缓存和三级缓存，对于计算机性能的提升非常明显，尤其是CPU的工作效率。经过了多年的发展和完善，二级缓存已经成为了衡量CPU性能的重要标志，但是考虑到三级缓存的特殊性，通常情况下，依靠一级缓存和二级缓存，就可以满足日常使用的需要，只有一些服务中，由于需要长时间的工作，才会需要三级缓存来提高性能。

[1]魏文国，张凌，董守斌，等.分类的缓存数据延迟写技术[J].小型微型计算机系统，2006(11)：2138-2141.

[2]兰丽，多级缓存模式下的数据块替换优化算法[J].计算机工程，2013(4)：78-81.

[3]王鹏，伊鹏，金德鹏，等.基于三级存储阵列缓存高速数据包及性能分析[J].软件学报，2005(12)：2181-2189.

[4]夏金军，庄奕琪，包军林，等.一种基于FPGA的高速数据缓存的设计[J].微计算机信息，2008(32)：226-228.