倪冬梅

（宿遷市廣播電視大學(xué)，江蘇宿遷，223800）

隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了極大的發(fā)展，從摩爾定律可以知道，半導(dǎo)體加工業(yè)每隔十八個(gè)月，生產(chǎn)工藝就可以增加一倍，而生產(chǎn)成本保持不變，計(jì)算機(jī)的核心部件，都是以半導(dǎo)體為主要材料生產(chǎn)的，因此摩爾定律也可以適用在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，由此可以看出，計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度[1]。但是進(jìn)入到21世紀(jì)后，各個(gè)領(lǐng)域都得到了飛速的發(fā)展，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能提出了更高的需求，依靠計(jì)算機(jī)硬件自身的發(fā)展，已經(jīng)無法滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，因此人們開始從軟件技術(shù)方面，提升計(jì)算機(jī)的性能。二級(jí)緩存和三級(jí)緩存的理念，正是在這種背景下被提出來的。

一、計(jì)算機(jī)二級(jí)緩存和三級(jí)緩存簡述

（一）計(jì)算機(jī)二級(jí)緩存和三級(jí)緩存的概念

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，主要是建立在圖靈機(jī)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過馮諾依曼等人的優(yōu)化后，逐漸的形成了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的架構(gòu)。計(jì)算機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過程中，主要依靠中央處理器來執(zhí)行命令，通常情況下，CPU工作命令需要從內(nèi)存中讀取。在計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期，受到技術(shù)水平的限制，計(jì)算機(jī)能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)有限，而且計(jì)算機(jī)的性能較低，只能執(zhí)行一些簡單的任務(wù)，內(nèi)存的讀取效率可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。但是隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，CPU的主頻率已經(jīng)達(dá)到了GHz級(jí)別，而且出現(xiàn)了多核處理器，雖然內(nèi)存也從單通道發(fā)展到了雙通道，現(xiàn)在已經(jīng)有了三通道內(nèi)存，但是內(nèi)存的讀取效率依然無法滿足CPU的需求，在這種背景下，人們提出了 Cache的理念，即高速緩存。在Cache理念出現(xiàn)的早期，只設(shè)立的一個(gè)緩存，這樣CPU在處理命令的過程中，可以先從緩存中讀取，這樣可以極大地提高處理器的性能，但是隨著計(jì)算機(jī)處理的任務(wù)越來越復(fù)雜，這個(gè)緩存的存儲(chǔ)空間有限，很多命令都無法放到緩存中，這些命令的執(zhí)行還是需要到內(nèi)存中查找。因此為了進(jìn)一步提高CPU的性能，人們在一級(jí)緩存的基礎(chǔ)上，提出了二級(jí)緩存和三級(jí)緩存的理念。

（二）計(jì)算機(jī)二級(jí)緩存和三級(jí)緩存的特點(diǎn)

與計(jì)算機(jī)一級(jí)緩存相比，二級(jí)緩存和三級(jí)緩存出現(xiàn)的時(shí)間較晚，但是與一級(jí)緩存一樣，其應(yīng)用的目的都是為了提高處理器的性能，經(jīng)過了多年的發(fā)展，現(xiàn)在CPU都具有一級(jí)緩存，但是一些低端型號(hào)的 CPU，還沒有二級(jí)緩存和三級(jí)緩存，尤其是三級(jí)緩存，目前只有一些高端的 CPU，才會(huì)集成這個(gè)功能[2]。通過實(shí)際的調(diào)查可以知道，提高計(jì)算機(jī)性能的方法有很多，包括提高處理器的主頻，增加內(nèi)存的容量等，而二級(jí)緩存和三級(jí)緩存與這些方式相比，在技術(shù)上要更加容易，如 CPU主頻和內(nèi)存方面的提升，需要建立在加工工藝的基礎(chǔ)上，而二級(jí)緩存和三級(jí)緩存就顯得更加簡單，只需要在CPU中添加相應(yīng)的存儲(chǔ)模塊即可，在三級(jí)緩存出現(xiàn)的早期，甚至還采用了外置存儲(chǔ)器的方式。由此可以看出，計(jì)算機(jī)二級(jí)緩存和三級(jí)緩存具有鮮明的特點(diǎn)，與其他提高計(jì)算機(jī)性能的方式相比，這種方式更加簡單，而且成本較低，與傳統(tǒng)的內(nèi)存和一級(jí)緩存工作方式相比，能夠更好地提高處理器的性能，因此計(jì)算機(jī)的二級(jí)緩存和三級(jí)緩存，已經(jīng)成為衡量處理器性能的重要標(biāo)志。

（三）計(jì)算機(jī)二級(jí)緩存和三級(jí)緩存的發(fā)展

從計(jì)算機(jī)二級(jí)緩存和三級(jí)緩存出現(xiàn)開始，由于其鮮明的特點(diǎn)，可以很好的提高計(jì)算機(jī)的性能，因此受到了人們足夠的重視。在這種背景下，計(jì)算機(jī)二級(jí)緩存和三級(jí)緩存得到了快速的發(fā)展，通過實(shí)際的調(diào)查可以知道，二級(jí)緩存和三級(jí)緩存的發(fā)展，主要就是存儲(chǔ)容量的提升，如早期的二級(jí)存儲(chǔ)和三級(jí)存儲(chǔ)，容量只有KB級(jí)別，現(xiàn)在的已經(jīng)達(dá)到了MB的級(jí)別。二級(jí)緩存和三級(jí)緩存容量的提升，對(duì)于計(jì)算機(jī)性能的提高很大[3]，但是隨著二級(jí)緩存和三級(jí)緩存容量的提升，處理器的價(jià)格也要提高一些，經(jīng)過了多年的發(fā)展，現(xiàn)在中央處理器已經(jīng)開始用二級(jí)緩存的容量，來劃分產(chǎn)品的高低端檔次，由此可以看出，二級(jí)緩存和三級(jí)緩存的重要性。受到特殊的歷史因素影響，我國經(jīng)濟(jì)和科技的起步較晚，與西方一些發(fā)達(dá)國家相比，在計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域中，具有較大的差距，目前市面上生產(chǎn)CPU的廠家主要有兩個(gè)，分別是美國的英特爾和IBM公司，我國只能生產(chǎn)計(jì)算機(jī)的一些輔助部件，雖然我國有聯(lián)想等計(jì)算機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，但是僅僅從事組裝的工作而已。

二、計(jì)算機(jī)二級(jí)緩存和三級(jí)緩存的作用

（一）提高計(jì)算機(jī)的性能

經(jīng)過了多年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)二級(jí)緩存和三級(jí)緩存的理念已經(jīng)非常完善。早期的二級(jí)緩存和三級(jí)緩存，主要應(yīng)用在 CPU中，以此來提高CPU處理的效率，但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)自身的發(fā)展，人們將二級(jí)緩存和三級(jí)緩存的理念，引入到了硬盤等存儲(chǔ)器中，以此來提高存儲(chǔ)的效率，并且取得了很好的效果。CPU、內(nèi)存和硬盤作為計(jì)算機(jī)的核心部件，其中任何一個(gè)部件的性能得到提高，都能夠在一定程度上提高計(jì)算機(jī)整體的性能，從摩爾定律可以知道，計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度很快，尤其是以半導(dǎo)體為原材料的CPU和內(nèi)存，隨著半導(dǎo)體加工工藝的提升，其性能得到了極大地提高，其中硬盤的發(fā)展速度較慢，只有存儲(chǔ)空間得到了提升，決定存儲(chǔ)效率的硬盤轉(zhuǎn)速，并沒有得到很好的發(fā)展[4]。由此可以看出，計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)瓶頸，利用很多計(jì)算機(jī)性能檢測軟件可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)部件評(píng)測的分?jǐn)?shù)具有較大的差距，即使采用目前市面上最先進(jìn)的部件，評(píng)測分?jǐn)?shù)最低的通常是硬盤，雖然一萬轉(zhuǎn)的固態(tài)硬盤已經(jīng)出現(xiàn)，但由于其性能不是很穩(wěn)定，而且成本非常高，因此還沒有得到普及應(yīng)用。

（二）降低生產(chǎn)成本

在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)部件生產(chǎn)中，要想提高計(jì)算機(jī)核心部件的性能，通常需要提高生產(chǎn)的工藝，如65nm加工工藝提升到22納米，就可以極大的提高計(jì)算機(jī)中央處理器的性能，從摩爾定律可以知道，中央處理器的加工工藝每個(gè)十八個(gè)月就能翻倍，但是加工水平進(jìn)入到20納米級(jí)別后，摩爾定律還能夠持續(xù)，很多專家和學(xué)者都持懷疑的態(tài)度。在這種背景下，如何繼續(xù)提高計(jì)算機(jī)的性能，將會(huì)成為影響計(jì)算機(jī)應(yīng)用的重要因素，由于計(jì)算機(jī)可以分成軟件和硬件兩個(gè)方面，雖然硬件對(duì)計(jì)算機(jī)性能起著決定性的作用，如果很好的利用軟件優(yōu)化，也可以在很大程度上提高計(jì)算機(jī)的性能，因此近幾年出現(xiàn)了很多計(jì)算機(jī)優(yōu)化技術(shù)。二級(jí)緩存和三級(jí)緩存的出現(xiàn)，很好的解決了這個(gè)問題，從某種意義上來說，應(yīng)用二級(jí)緩存和三級(jí)緩存，改變了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的架構(gòu)，在正常的線路通訊環(huán)節(jié)中，增加一個(gè)高速緩存的空間，這樣就能夠很好的提高數(shù)據(jù)讀取的效率，這樣既不用提高生產(chǎn)工藝，也不需要軟件方面的優(yōu)化，就可以很好的提高計(jì)算機(jī)的性能，而且從成本上來說，與提高生產(chǎn)工藝和優(yōu)化技術(shù)相比，花費(fèi)的費(fèi)用要低很多。

三、計(jì)算機(jī)二級(jí)緩存和三級(jí)緩存對(duì)存儲(chǔ)速率的影響

（一）提高讀取的命中率

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)越來越多，中央處理器等核心部件的性能也得到了極大的提高，而中央處理器在執(zhí)行相應(yīng)的指令時(shí)，需要先從內(nèi)存中讀取，由于內(nèi)存的存儲(chǔ)速率較低，在實(shí)際讀取的過程中，讀取的速度較慢，而且容易讀取命中率較低，嚴(yán)重地影響了CPU的性能。緩存的出現(xiàn)很好的解決了這個(gè)問題，由于Cache是高速緩存，與內(nèi)存的工作機(jī)制不同，在實(shí)際的運(yùn)行過程中，會(huì)把常用的一些命令，存儲(chǔ)到這個(gè)緩存中，這樣CPU在讀取命令時(shí)，可以直接從緩存中讀取，讀取的效率要提高很多，這樣減少了數(shù)據(jù)讀取的時(shí)間，就可以很好的提高處理器性能。計(jì)算機(jī)經(jīng)過了多年的發(fā)展，執(zhí)行的任務(wù)越來越復(fù)雜，依靠一級(jí)緩存，已經(jīng)無法滿足日常使用的需要，雖然一級(jí)緩存的容量在不斷的增加，但是只能存儲(chǔ)有限的命令，這樣就降低了讀取的命中率，計(jì)算機(jī)二級(jí)緩存和三級(jí)緩存的出現(xiàn)，很好的解決這個(gè)問題，將常用的命令進(jìn)行分類，根據(jù)使用的頻率和重要程度等，分別存放到一級(jí)緩存、二級(jí)緩存和三級(jí)緩存中，就可以很好的提高讀取的命中率。

（二）提高存儲(chǔ)的速率

通過前面的分析可以知道，計(jì)算機(jī)二級(jí)緩存和三級(jí)緩存的主要作用，就是利用高速的緩存，提高數(shù)據(jù)讀取的效率，這是中央處理上緩存的作用，而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，人們將二級(jí)緩存和三級(jí)緩存的理念，引入到了硬盤的存儲(chǔ)中，以此來提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的速率，在所有計(jì)算機(jī)核心部件中，硬盤的發(fā)展速度無疑是最慢的，雖然近些年存儲(chǔ)空間得到了很大的提高，但是決定存儲(chǔ)速率的硬盤轉(zhuǎn)數(shù)，并沒有得到明顯的提高。目前計(jì)算機(jī)中的使用的硬盤，大多是每分鐘7200轉(zhuǎn)的，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)速度可以達(dá)到每秒40兆左右，受到硬盤工作機(jī)制的影響，長時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，會(huì)持續(xù)的降低存儲(chǔ)的效率，雖然已經(jīng)出現(xiàn)了每分鐘一萬轉(zhuǎn)以上的固態(tài)硬盤，但是受到目前技術(shù)水平的限制，其容量很小而且成本較高，只有在一些高端的筆記本中采用。由此可以看出，如何提高計(jì)算機(jī)硬盤的存儲(chǔ)速率，已經(jīng)成為影響計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要因素，依靠傳統(tǒng)的方法，顯然無法很好的達(dá)到這個(gè)目的，因此人們將CPU中緩存的理念引入到硬盤中，在硬盤中添加了緩存的機(jī)制，這樣數(shù)據(jù)會(huì)先存儲(chǔ)到緩存中，在緩存中的數(shù)據(jù)積累到一定的程度，一起寫入到硬盤中，很好地提高了計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的速率。

四、計(jì)算機(jī)三級(jí)緩存的特殊性

目前市面上的 CPU，出于提高性能的目的，幾乎都具有了一級(jí)緩存，而且緩存的空間比較大，而計(jì)算機(jī)二級(jí)緩存雖然經(jīng)過了多年的發(fā)展，工作機(jī)制上已經(jīng)比較完善，但是受到技術(shù)水平和成本上的限制，不同型號(hào)的 CPU，二級(jí)緩存的空間具有很大的差異，因此二級(jí)緩存已經(jīng)成為了衡量CPU的一個(gè)重要參數(shù)。三級(jí)緩存比二級(jí)緩存更加高級(jí)，雖然能夠進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)的性能，但是對(duì)于普通的個(gè)人用戶來說，二級(jí)緩存就能夠滿足實(shí)際的需要，三級(jí)緩存幾乎沒有作用，因此市面上的很多 CPU，都沒有三級(jí)緩存的配置，只有一些服務(wù)器使用的CPU，才會(huì)增加三級(jí)緩存的配置。經(jīng)過了一級(jí)緩存和二級(jí)緩存的優(yōu)化后，CPU的讀取效率已經(jīng)有了很大的提升，三級(jí)緩存對(duì)于CPU瞬間的讀取效率并沒有明顯的提升，只有計(jì)算機(jī)長期工作的狀態(tài)下，三級(jí)緩存才能夠發(fā)揮一定的作用，普通的個(gè)人計(jì)算機(jī)，很少會(huì)長時(shí)間的開機(jī)，只有一些服務(wù)器才需要不停的作用，因此三級(jí)緩存對(duì)于服務(wù)器的CPU來說，具有非常重要的作用。

通過全文分析可以知道，計(jì)算機(jī)二級(jí)緩存和三級(jí)緩存，對(duì)于計(jì)算機(jī)性能的提升非常明顯，尤其是CPU的工作效率。經(jīng)過了多年的發(fā)展和完善，二級(jí)緩存已經(jīng)成為了衡量CPU性能的重要標(biāo)志，但是考慮到三級(jí)緩存的特殊性，通常情況下，依靠一級(jí)緩存和二級(jí)緩存，就可以滿足日常使用的需要，只有一些服務(wù)中，由于需要長時(shí)間的工作，才會(huì)需要三級(jí)緩存來提高性能。

[1]魏文國，張凌，董守斌，等.分類的緩存數(shù)據(jù)延遲寫技術(shù)[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2006(11)：2138-2141.

[2]蘭麗，多級(jí)緩存模式下的數(shù)據(jù)塊替換優(yōu)化算法[J].計(jì)算機(jī)工程，2013(4)：78-81.

[3]王鵬，伊鵬，金德鵬，等.基于三級(jí)存儲(chǔ)陣列緩存高速數(shù)據(jù)包及性能分析[J].軟件學(xué)報(bào)，2005(12)：2181-2189.

[4]夏金軍，莊奕琪，包軍林，等.一種基于FPGA的高速數(shù)據(jù)緩存的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008(32)：226-228.