RAM和高速缓存有什么区别?

技术教程8个月前更新 多啦导航
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如果您是一名技术爱好者,您可能听说过缓存以及它们如何与系统上的 RAM 配合使用以提高系统速度。但您有没有想过什么是缓存以及它与 RAM 有何不同?

好吧,如果您有,那么您来对地方了,因为我们将研究缓存内存与 RAM 的所有区别。

了解计算机上的内存系统

在我们开始比较 RAM 和缓存之前,了解计算机上的内存系统是如何设计的非常重要。

你看,RAM和缓存都是易失性内存存储系统。这意味着这两个存储系统都可以临时存储数据,并且只有在通电时才能工作。因此,当您关闭计算机时,RAM 和缓存中存储的所有数据都将被删除。

因此,任何计算设备都有两种不同类型的存储系统,即主存储器和辅助存储器。驱动器是计算机系统上保存文件的辅助存储器,能够在电源关闭时存储数据。另一方面,主内存系统在打开时向 CPU 提供数据。

但是为什么计算机上的存储系统在关闭时无法存储数据呢?嗯,主存储系统对于计算机来说至关重要,这是有一个重要原因的。

您会看到,尽管系统上的主内存在断电时无法存储数据,但与辅助存储系统相比,它们的速度要快得多。从数字来看,SSD等辅助存储系统的访问时间为50微秒。

相比之下,主存储器系统(例如随机存取存储器)可以每 17 纳秒向 CPU 提供数据。因此,与辅助存储系统相比,主内存系统的速度几乎快 3,000 倍。

由于这种速度差异,计算机系统配备了内存层次结构,使得数据能够以惊人的速度传送到 CPU。

以下是数据在现代计算机内存系统中移动的方式。

  • 存储驱动器(辅助内存):该设备可以永久存储数据,但速度不如 CPU。因此,CPU无法直接从辅助存储系统访问数据。
  • RAM(主存储器):该存储系统比辅助存储系统更快,但不能永久存储数据。因此,当您在系统上打开文件时,它会从硬盘驱动器移动到 RAM。也就是说,即使 RAM 对于 CPU 来说也不够快。
  • 高速缓存(主存储器):为了解决这个问题,CPU 中嵌入了一种称为高速缓冲存储器的特殊类型的主存储器,它是计算机上最快的存储系统。该内存系统分为三部分,即L1、L2和L3缓存。因此,任何需要由CPU处理的数据都会从硬盘驱动器移动到RAM,然后移动到高速缓冲存储器。也就是说,CPU 无法直接从缓存访问数据。
  • CPU 寄存器(主内存):计算设备上的 CPU 寄存器大小很小,并且基于处理器架构。这些寄存器可以保存 32 或 64 位数据。一旦数据移入这些寄存器,CPU 就可以访问它并执行手头的任务。

了解 RAM 及其工作原理

如前所述,设备上的随机存取存储器负责存储数据并向 CPU 提供计算机上的程序。为了存储这些数据,随机存取存储器使用动态存储单元(DRAM)。

该单元是使用电容器和晶体管创建的。这种布置中的电容器用于存储电荷,并且基于电容器的充电状态;存储单元可以保存 1 或 0。

如果电容器充满电,则存储 1。另一方面,当电容器放电时,存储 0。虽然 DRAM 单元能够存储电荷,但这种存储器设计有其缺陷。

您会看到,由于 RAM 使用电容器来存储电荷,因此它往往会丢失存储在其中的电荷。因此,RAM 中存储的数据可能会丢失。为了解决这个问题,使用读出放大器刷新存储在电容器中的电荷,从而防止 RAM 丢失存储的信息。

虽然这种充电刷新使 RAM 能够在计算机开启时存储数据,但它会在系统中引入延迟,因为 RAM 在刷新时无法将数据传输到 CPU,从而降低系统速度。

除此之外,RAM还连接到主板,而主板又通过插槽连接到CPU。因此,RAM 和 CPU 之间存在相当大的距离,这增加了数据传送到 CPU 的时间。

由于上述原因,RAM 每隔 17 纳秒才向 CPU 提供一次数据。在这样的速度下,CPU 无法达到其峰值性能。这是因为 CPU 需要每四分之一纳秒提供一次数据,以便在以 4 GHz 的睿频加速频率运行时提供最佳性能。

为了解决这个问题,我们使用了高速缓存,这是另一种比 RAM 快得多的临时存储系统。

缓存内存解释

现在我们了解了 RAM 带来的注意事项,我们可以了解缓存以及它如何解决 RAM 带来的问题。

首先,主板上不存在高速缓存。相反,它被放置在 CPU 本身上。因此,数据存储在离 CPU 更近的地方,使其能够更快地访问数据。

除此之外,高速缓存并不存储系统上运行的所有程序的数据。相反,它只保留 CPU 频繁请求的数据。由于这些差异,缓存可以以惊人的速度向 CPU 发送数据。

此外,与 RAM 相比,高速缓冲存储器使用静态单元 (SRAM) 来存储数据。与动态单元相比,静态存储器不需要刷新,因为它们不使用电容器来存储电荷。

相反,它使用一组 6 个晶体管来存储信息。由于使用了晶体管,静态单元不会随着时间的推移而失去电荷,从而使缓存能够以更快的速度向 CPU 提供数据。

也就是说,高速缓冲存储器也有其缺陷。其一,与 RAM 相比,它的成本要高得多。此外,与 DRAM 相比,静态 RAM 单元要大得多,因为一组 6 个晶体管用于存储一位信息。这比 DRAM 单元的单电容器设计大得多。

因此,SRAM 的存储密度要低得多,并且不可能将具有大存储容量的单个 SRAM 放置在 CPU 芯片上。因此,为了解决这个问题,高速缓冲存储器分为三类,即L1、L2和L3高速缓存,分别放置在CPU内部和外部。

RAM 与高速缓冲存储器

现在我们对 RAM 和缓存有了基本的了解,我们可以看看它们如何相互比较。

比较指标内存缓存
功能存储系统上运行的所有应用程序的程序数据。存储CPU所需的常用数据和指令。
尺寸由于内存密度高,RAM 的封装容量可以存储 2 GB 到 64 GB 的数据。由于其存储密度较低,高速缓冲存储器存储的数据在千字节或兆字节范围内。
成本由于采用单一晶体管/电容器设计,RAM 的制造成本更低。由于其 6 晶体管设计,制造缓存成本高昂。
地点RAM与主板相连,距离CPU较远。高速缓存要么存在于 CPU 核心内部,要么在核心之间共享。
速度内存速度较慢。缓存速度更快。

高速缓存比 RAM 快得多

RAM 和高速缓存都是易失性存储系统,但两者都服务于不同的任务。一方面,RAM 存储系统上运行的程序,而缓存通过将常用数据存储在靠近 CPU 的位置来支持 RAM,从而提高性能。

因此,如果您正在寻找一个提供出色性能的系统,则必须查看其附带的 RAM 和缓存。两种内存系统之间的出色平衡对于充分利用您的 PC 至关重要。

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