浅析计算机硬件的读写速度差异（上）

现代计算机系统

现代计算机系统与冯·诺依曼计算机差别不大，最大的区别冯·诺依曼计算机 是 以运算器为中心的，而现代计算机 以储存器为中心：

我们主要来看一下其中与储存相关的组件：

存储器

存储器是用来存放数据和程序。存储器 包含主存和辅存

• 主存：直接与CPU交换信息，就是我们熟悉的内存。断电后内存的数据是会丢失的
• 辅存：辅存可作为主存的后备存储器，不直接与CPU交换信息，容量比主存大，但速度比主存慢。比如机械硬盘、固态硬盘等。断电后硬盘的数据是不会丢失，硬盘是持久化存储设备。
• 辅存、输入设备、输出设备 统称为 IO设备 ；主机一般包含：CPU、主存

我们先来看看存储器的层次结构，来初步对各个储存器部件有所认识 !

我们可以发现存储器速度越快的话，相应的价格也会越发昂贵！

寄存器

CPU中 还有一个常见的组件: 寄存器 ，是CPU内部用来存放数据的一些小型的存储区域，用来暂时存放参与运算的数据以及运算结果。寄存器由电子线路组成，存取速度非常快，寄存器的成本较高，因而数量较少。

CPU时钟周期

CPU时钟周期 ：通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，它是CPU中基本时间单位。平时我们打游戏常说的超频，超的就是这个CPU主频。

举个例子，主频为3.0GHZ的CPU，一个时钟周期大约是0.3纳秒，内存访问大约需要120纳秒，固态硬盘访问大约需要50-150微秒，机械硬盘访问大约需要1-10毫秒，最后网络访问最慢，得几十毫秒左右。

这个大家可能对时间不怎么敏感，那如果我们把 一个时钟周期如果按1秒算的话，内存访问大约就是6分钟 ，固态硬盘大约是2-6天 ，传统硬盘大约是1-12个月，网络访问就得几年了 ！我们可以发现CPU的速度和内存等存储器的速度，完全不是一个量级上的。

高速缓存

为了弥补 CPU 与内存两者之间的性能差异，就在 CPU 内部引入了 CPU Cache，也称高速缓存。CPU Cache用的是 SRAM (Static Random-Access Memory)的芯片，也叫 静态随机存储器。 其只要有电，数据就可以保持存在，而一旦断电，数据就会丢失。

CPU Cache 通常分为大小不等的 三级缓存 ，分别是 L1 Cache 、L2 Cache 和 L3 Cache

部件	CPU访问所需时间	备注
L1 高速缓存	2~4 个时钟周期	每个 CPU 核心都有一块属于自己的 L1 高速缓存，L1 高速缓存通常分成指令缓存和数据缓存。
L2 高速缓存	10~20 个时钟周期	L2 高速缓存同样是每个 CPU 核心都有的
L3 高速缓存	20~60个时钟周期	L3 高速缓存是多个 CPU 核心共用的

我们可以发现越靠近 CPU 核心的缓存其访问速度越快。

程序执行时，会先将内存中的数据加载到共享的 L3 Cache 中，再加载到每个核心独有的 L2 Cache，最后 进入到最快的 L1 Cache，之后才会被 CPU 读取。层级关系如下图：

主存

主存 ，直接与CPU交换信息，就是我们熟悉的 内存 。它使用的是一种叫作 DRAM ( Dynamic Random Access Memory )的芯片，也叫 动态随机存取存储器 。断电后内存的数据是会丢失。DRAM 芯片的密度更高，功耗更低，有更大的容量，造价比 SRAM 芯片便宜很多，但速度比SRAM 芯片慢的多。

内存速度大概在 200~300 个 时钟周期之间

固态硬盘

固体硬盘(Solid-state Disk, SSD)，数据直接存在闪存颗粒中，并且由主控单元记录数据存储位置和数据操作，每一个闪存颗粒的存储容量是有限的;

但是它相比内存的优点是 断电后数据还是存在的 ，SSD固体硬盘的读写速度虽然比内存的大概慢10~1000 倍，但比机械硬盘快多了，当然价格也昂贵很多。不过随着时代的发展，固态硬盘的价格慢慢趋向接近机械硬盘。

机械硬盘

机械硬盘（ Hard Disk Drive, HDD ），它是通过物理读写的方式来访问数据的，机械硬盘在盘面上写数据、磁盘转动，机械臂移动，比较原始的数据读写方式，就像近现代的留声机发声原理一样。

由于受限于转盘转速与指针寻址的时间限制，因此它访问速度是非常慢的，它的速度比内存慢 10W 倍左右。当然机械硬盘也是有其优点的：容量大，价格便宜，恢复数据难度低，因此数据放在机械硬盘中比较保险。