簡要總結計算機各類延時（寄存器、cache、內存、磁盤）

 

Register寄存器

寄存器是中央處理器的組成部份，可用來暫存指令、數據和位址。一般有通用寄存器，如指令寄存器IR、程序計數器(PC)、累加器(ACC)、堆棧指針寄存器(SP)等，另外還有狀態寄存器(標記狀態Z、N、V、C)。寄存器最靠近CPU，隨取隨用，速度最快。

 

Cache

即高速緩衝存儲器，位於CPU與內存之間，容量小但速度快。因爲CPU快而內存慢，CPU不存在直接讀/寫內存的狀況,每次讀/寫內存都要訪問Cache。Cache Line是cache與內存同步的最小單位，典型的虛擬內存頁面大小爲4K，Cache line爲32或64字節。Cache中通常保存着CPU剛用過或循環使用的部分數據，當CPU再次使用該部分數據時可從Cache中直接調用,這樣就抹平了CPU與內存的速度差。Cache又分爲L一、L二、L3（L一、L2通常集成在CPU上）。

理論上L1有着跟寄存器相同的速度，但L1工做在寫經過(write-through)模式下時，須要加鎖用來同步cache和內存的內容，這段期間L1不能被訪問，因此L1就沒寄存器快。L二、L3一樣須要加鎖，而且L2比L1慢，L3比L2慢。

cache下還有一個TLB，TLB是一個內存管理單元用於改進虛擬地址到物理地址轉換速度的緩存。

 

RAM(主要針對DRAM)

即內存，其做用是用於暫存CPU的運算數據，以及與硬盤等外部存儲器交換的數據。內存的一個存儲週期是從存儲器收到有效地址(EA)開始，通過地址譯碼、驅動，直到被訪問的存儲單元被讀出/寫入爲止。

簡單介紹下CPU訪問內存的流程：

1. 找到數據(通常爲操做數)地址(或地址的地址)。（地址通常放在通用寄存器內）
2. 將地址送往內存管理單元（MMU），由MMU將虛擬的內存地址翻譯成實際的物理地址。
3. 將物理地址送往內存控制器，由控制器進行譯碼找到對應的存儲體。
4. 從對應的存儲體讀取數據送回給控制器，最後再送回CPU。

能夠看出內存的工做流程比cache多出許多，每一步都會產生延遲。而且當外圍設備(好比磁盤)經過DMA控制器與內存進行數據傳輸時(走數據總線),會與上面的CPU訪問內存發生衝突，此時CPU和DMA就會輪流挪用內存週期，這樣CPU訪問內存的速度就更慢了。

HardDisk

又稱硬盤驅動器，常見的有磁性旋起色械盤和基於閃存的固態硬盤SSD，這裏主要講機械盤，當進行數據存取時，主要的速度影響來自於磁頭的尋道時間和盤片的旋轉時間，一般須要花費數毫秒的時間。若是是順序I/O還好，若是是隨機I/O，速度將很慢。雖然磁盤內部、操做系統及應用程序都對磁盤進行了緩存優化，但速度仍是遠遠不及內存。

下面是一張磁盤調用棧圖（引用Brendan Gregg）

最後以一張圖量化系統的各類延時時間（部分數據引用Brendan Gregg）