寄存器、缓存、内存之间的关系和区别

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目录

• 关系
• 1、寄存器
• 2、缓存（Cache）
• • 2.1、寄存器和缓存的区别
  • 2.2、一级缓存和二级缓存
• 3、内存
• • 3.1、只读存储器 ROM（Read Only Memory）
  • 3.2、随机存储器 RAM（Random Access Memory）
  • • 3.2.1、静态RAM（Static RAM/SRAM）
    • 3.2.2、动态RAM（Dynamic RAM/DRAM）

关系

1、寄存器

寄存器（register）是CPU（中央处理器）的组成部分，是一种直接整合到cpu中的有限的高速访问速度的存储器，它是有一些与非门组合组成的，分为通用寄存器和特殊寄存器。cpu访问寄存器的速度是最快的。那为什么我们不把数据都存储到寄存器中呢，因为寄存器是一种容量有限的存储器，并且非常小。因此只把一些计算机的指令等一些计算机频繁用到的数据存储在其中，来提高计算机的运行速度。

2、缓存（Cache）

缓存就是数据交换的缓冲区（称作Cache），当某一硬件要读取数据时，会首先从缓存中查找需要的数据，如果找到了则直接执行，找不到的话则从内存中找。由于缓存的运行速度比内存快得多，故缓存的作用就是帮助硬件更快地运行。

因为缓存往往使用的是RAM（断电即掉的非永久储存），所以在用完后还是会把文件送到硬盘等存储器里永久存储。电脑里最大的缓存就是内存条了，最快的是CPU上镶的L1和L2缓存，显卡的显存是给显卡运算芯片用的缓存，硬盘上也有16M或者32M的缓存。

CACHE是在CPU中速度非常块，而容量却很小的一种存储器，它是计算机存储器中最强悍的存储器。由于技术限制，容量很难提升。

对于大多数人来说Cache，是透明的、不存在的。其中一个原因是Cache是集成到CPU中，对于程序员来说是透明的。

2.1、寄存器和缓存的区别

按与CPU远近来分，离得最近的是寄存器，然后缓存，最后内存。所以，寄存器是最贴近CPU的，而且CPU只与寄存器中进行存取。寄存器从内存中读取数据，但由于寄存器和内存读取速度相差太大，所以有了缓存。即读取数据的方式为：

CPU <------>寄存器 <---->缓存<----->内存

当寄存器没有从缓存中读取到数据时，也就是没有命中，那么就从内存中读取数据。

2.2、一级缓存和二级缓存

CPU读取数据的顺序为先缓存后内存。

CPU内部集成的缓存称为一级缓存(L1 Cache)，外部的称为二级缓存(L2 Cache)。

一级缓存中又分为数据缓存(D-Cache)和指令缓存(I-Cache)。二者可以同时被CPU进行访问，减少了争用Cache所造成的冲突，提高了CPU的效能。

CPU的一级缓存通常都是静态RAM（Static RAM/SRAM），速度非常快，但是贵。

为提高系统的性能和速度又必须扩大缓存，所以在不扩大原来的静态RAM缓存容量的情况下，仅仅增加一些高速动态RAM(Dynamic RAM/DRAM)做为L2级缓存。高速动态RAM速度要比常规动态RAM快，但比原来的静态RAM缓存慢，而且成本也较为适中。一级缓存和二级缓存中的内容都是内存中访问频率高的数据的复制品（映射)，它们的存在都是为了减少高速CPU对慢速内存的访问。

二级缓存是CPU性能表现的关键之一，在CPU核心不变化的情况下，增加二级缓存容量能使性能大幅度提高。而同一核心的CPU高低端之分往往也是在二级缓存上存在差异.

CPU在缓存中找到有用的数据被称为命中，当缓存中没有CPU所需的数据时(这时称为未命中)，CPU才访问内存。从理论上讲，在一颗拥有二级缓存的CPU中，读取一级缓存的命中率为80%。也就是说CPU一级缓存中找到的有用数据占数据总量的80%，剩下的20%从二级缓存中读取。由于不能准确预测将要执行的数据，读取二级缓存的命中率也在80%左右(从二级缓存读到有用的数据占总数据的16%)。那么还有的数据就不得不从内存调用，但这已经是一个相当小的比例了。

在较高端CPU中，还会带有三级缓存，它是为读取二级缓存后未命中的数据设计的一种缓存，在拥有三级缓存的CPU中，只有约5%的数据需要从内存中调用，这进一步提高了CPU的效率，从某种意义上说，预取效率的提高，大大降低了生产成本却提供了非常接近理想状态的性能。

3、内存

ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据，而RAM通常都是在掉电之后就丢失数据，典型的RAM就是计算机的内存。

3.1、只读存储器 ROM（Read Only Memory）

PROM是可编程的ROM，PROM和EPROM（可擦除可编程ROM）两者区别是，PROM是一次性的，也就是软件灌入后，就无法修改了，现在已经不可能使用了，而EPROM是通过紫外光的照射擦除原先的程序，是一种通用的存储器。另外一种EEPROM是通过电子擦除，价格很高，写入时间很长，写入很慢。

3.2、随机存储器 RAM（Random Access Memory）

3.2.1、静态RAM（Static RAM/SRAM）

当数据被存入其中后不会消失。SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备。当这个SRAM 单元被赋予0 或者1 的状态之后，它会保持这个状态直到下次被赋予新的状态或者断电之后才会更改或者消失。需要4-6 只晶体管实现， 价格昂贵。

3.2.2、动态RAM（Dynamic RAM/DRAM）

DRAM 必须在一定的时间内不停的刷新才能保持其中存储的数据。DRAM 只要1 只晶体管就可以实现。

DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何的ROM都要快，但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很 多，计算机内存就是DRAM的。