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  • 2019-08-25 10:07:49

    首先,文件读取的速度极限就是硬盘的读速度上限,想要达到硬盘的读速度上限就要设法不让硬盘停下来,让它一直读。

     

    1:读取的是各种小文件还是一个大文件?

    顺序读大文件这个场景,内核优化过,你需要做的就是不要乱搞影响内核工作。老老实实用 fread 读。除非实验分析数据明显会加快,否则不要轻易用。

    OS 支持异步 IO 就用异步的,pending 一堆读请求,目的就是不让硬盘闲着。

     

    2:各种小文件的存储区域是是否在一个地方?

    肯定是在一个地方读的最快。一个文件比多个文件的读取速度要快。

    数据块如果太分散,机械硬盘的磁头机械臂需要来回移动,导致寻道耗费的时间太多。

     

    3:缓存机制的影响?

    硬盘在响应读请求的时候会预读取一部分数据到缓存,下次读取就从缓存拿不去真正访问硬盘,所以每次读请求的数据量要比缓存大,这样才不会让硬盘闲置。

     

    4:机械硬盘 or 固态硬盘?

    对于机械硬盘来说,要保证文件是连续存储的,减少寻道时间,减少磁头的移动次数。

    固态硬盘的话,那就爽啦,人家是电路设计,用的是电子存储芯片阵列(Solid State Drive)。

    磁存储需要扫描磁头的动作和旋转磁盘的配合。电路存储即固态存储靠的是电路的扫描和开关作用将信息读出和写入。

    所以 SSD 比机械硬盘要快很多~

    (SSD 的缺点?寿命短、断电易丢数据)

     

    这个问题很大,基本上具体情况都要具体分析,用的硬盘、带宽、文件大小、系统等等问题需要具体进行分析,而使用编程语言种类的影响着实较小。

     


     

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    1、答案:应选择B

    2、解析:

    存储速度从快到慢排列:内存储器>高速缓冲存储器>计算机的主存>大容量磁盘

    拓展内容:

    1、CD-ROM

    CD-ROM(Compact Disc Read-Only Memory)即只读光盘,是一种在电脑上使用的光碟。这种光碟只能写入数据一次,信息将永久保存在光碟上,使用时通过光碟驱动器读出信息。CD的格式最初是为音乐的存储和回放设计的,1985年,由SONY和飞利浦制定的黄皮书标准使得这种格式能够适应各种二进制数据。有些CD-ROM既存储音乐,又存储计算机数据,这种CD-ROM的音乐能够被CD播放器播放,计算机数据只能被计算机处理。

    2、内存储器

    内存储器是计算机中重要的部件之一,它是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存储器中进行的,因此内存储器的性能对计算机的影响非常大。内存储器(Memory)也被称为内存,其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据,以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要计算机在运行中,CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算,当运算完成后CPU再将结果传送出来,内存的运行也决定了计算机的稳定运行。 内存是由内存芯片、电路板、金手指等部分组成的。

    3、硬盘

    硬盘是电脑主要的存储媒介之一,由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。碟片外覆盖有铁磁性材料。

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    硬盘有固态硬盘(SSD 盘,新式硬盘)、机械硬盘(HDD 传统硬盘)、混合硬盘(HHD 一块基于传统机械硬盘诞生出来的新硬盘)。SSD采用闪存颗粒来存储,HDD采用磁性碟片来存储,混合硬盘(HHD: Hybrid Hard Disk)是把磁性硬盘和闪存集成到一起的一种硬盘。绝大多数硬盘都是固定硬盘,被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。

    4、高速缓冲存储器

    高速缓冲存储器(Cache)其原始意义是指存取速度比一般随机存取记忆体(RAM)来得快的一种RAM,一般而言它不像系统主记忆体那样使用DRAM技术,而使用昂贵但较快速的SRAM技术,也有快取记忆体的名称。

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    高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器, 由静态存储芯片(SRAM)组成,容量比较小但速度比主存高得多, 接近于CPU的速度。在计算机存储系统的层次结构中,是介于中央处理器和主存储器之间的高速小容量存储器。它和主存储器一起构成一级的存储器。高速缓冲存储器和主存储器之间信息的调度和传送是由硬件自动进行的。高速缓冲存储器最重要的技术指标是它的命中率。

    参考内容:

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    一、存储芯片分类

    根据断电后存储的信息是否保留,存储芯片分为易失性存储芯片与非易失性存储芯片。易失性存储芯片在所在电路断电后,将无法保存数据,代表性产品有DRAM和SRAM,其中DRAM是绝对主流,SRAM虽然读写速度较快,但因为集成度较低,价格相对昂贵,因此多用于CPU的一、二级缓存。非易失性存储芯片在所在电路断电后,仍保有数据,代表性产品为NANDFLASH和NORFLASH。

    存储芯片分类

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    资料来源:公开资料整理

    二、全球存储芯片市场规模

    存储芯片是半导体产业中的重要一环,也是数据存储的重要载体,应用范围广、市场占比高,2020年大约占到整个半导体行业销售额的26.7%。而且从绝对值角度来看,随着通讯技术升级,数据存储需求越来越多,存储芯片在半导体行业中的重要性会愈发凸显,据统计,2020年全球存储芯片市场规模为1267亿美元,同比增长14.8%,并且预测未来2-3年仍将保持较快增速。

    2013-2023年全球存储芯片市场规模及增速

    11faef871b9125a2b300d221a5caddce.png

    资料来源:公开资料整理

    三、中国存储芯片市场规模

    国内市场来看,2014-2019年,中国存储芯片市场规模由1274亿元增长至2697亿元,年均复合增长率达到16.18%,预计2020年中国存储芯片市场规模将突破3000亿元,达到3021亿元。

    2014-2020年中国存储芯片市场规模及增速

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    资料来源:公开资料整理

    四、DRAM竞争格局分析

    DRAM市场竞争格局较为集中,三星、美光、海力士长期处于行业主导地位,2020年四季度分别占有42.1%、29.5%、23.0%的市场份额,南亚科技、华邦电和力晶合计占有4.1%的市场份额。就应用领域而言,智能手机、服务器、PC三大领域占据整体约86%的需求,而中国是主要的电子终端产品生产地区,因此对DRAM有较高的需求,2018年中国消耗了全球超过40%的DRAM芯片,是全球最主要的存储芯片消费国。

    2020Q4DRAM厂商自有品牌内存市场份额(单位:%)

    28ddf40f4ad390fed983a98a26145f0a.png

    资料来源:公开资料整理

    五、2021年存储芯片市场各细分领域占比预测

    预计到2021年存储芯片市场上,DRAM是最大的细分领域,占整体存储市场规模约56%的比例,NAND和NOR分别占有约41%、2%的份额,其他如EEPROM等存储器则仅占约1%的份额。

    2021年存储芯片市场占比(按销售额)

    8be0816a749e3d363a519d720ae048ed.png

    资料来源:公开资料整理

    2021年存储芯片市场占比(按出货量)

    0bb73b30a510c0853eaff5de4ef1288f.png

    资料来源:公开资料整理

    华经产业研究院对中国存储芯片行业发展现状、市场供需情况等进行了详细分析,对行业上下游产业链、企业竞争格局等进行了深入剖析,最大限度地降低企业投资风险与经营成本,提高企业竞争力;并运用多种数据分析技术,对行业发展趋势进行预测,以便企业能及时抢占市场先机;更多详细内容,请关注华经产业研究院出版的《2021-2026年中国汽车存储芯片市场全面调研及行业投资潜力预测报告》。

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  • 我们可以把 CPU 比喻成我们的大脑,大脑正在思考的东西,就好比 CPU 中的寄存器,处理速度最快的,但是能存储的数据也是最少的,毕竟我们也不能一下同时思考太多的事情,除非你练过。 我们大脑中的记忆,就好比 ...

    来源 | 小林coding

    责编 | 寇雪芹

    头图 | 下载于视觉中国


    前言

    大家如果想自己组装电脑的话,肯定需要购买一个 CPU,但是存储器方面的设备,分类比较多,那我们肯定不能只买一种存储器,比如你除了要买内存,还要买硬盘,而针对硬盘我们还可以选择是固态硬盘还是机械硬盘。

    相信大家都知道内存和硬盘都属于计算机的存储设备,断电后内存的数据是会丢失的,而硬盘则不会,因为硬盘是持久化存储设备,同时也是一个 I/O 设备。

    但其实 CPU 内部也有存储数据的组件,这个应该比较少人注意到,比如寄存器、CPU L1/L2/L3 Cache 也都是属于存储设备,只不过它们能存储的数据非常小,但是它们因为靠近 CPU 核心,所以访问速度都非常快,快过硬盘好几个数量级别。

    问题来了,那机械硬盘、固态硬盘、内存这三个存储器,到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢?

    在回答这个问题之前,我们先来看看「存储器的层次结构」,好让我们对存储器设备有一个整体的认识。


    存储器的层次结构

    我们想象中一个场景,大学期末准备考试了,你前去图书馆临时抱佛脚。那么,在看书的时候,我们的大脑会思考问题,也会记忆知识点,另外我们通常也会把常用的书放在自己的桌子上,当我们要找一本不常用的书,则会去图书馆的书架找。

    就是这么一个小小的场景,已经把计算机的存储结构基本都涵盖了。

    我们可以把 CPU 比喻成我们的大脑,大脑正在思考的东西,就好比 CPU 中的寄存器,处理速度是最快的,但是能存储的数据也是最少的,毕竟我们也不能一下同时思考太多的事情,除非你练过。

    我们大脑中的记忆,就好比 CPU Cache,中文称为 CPU 高速缓存,处理速度相比寄存器慢了一点,但是能存储的数据也稍微多了一些。

    CPU Cache 通常会分为 L1、L2、L3 三层,其中 L1 Cache 通常分成「数据缓存」和「指令缓存」,L1 是距离 CPU 最近的,因此它比 L2、L3 的读写速度都快、存储空间都小。我们大脑中短期记忆,就好比 L1 Cache,而长期记忆就好比 L2/L3 Cache。

    寄存器和 CPU Cache 都是在 CPU 内部,跟 CPU 挨着很近,因此它们的读写速度都相当的快,但是能存储的数据很少,毕竟 CPU 就这么丁点大。

    知道 CPU 内部的存储器的层次分布,我们放眼看看 CPU 外部的存储器。

    当我们大脑记忆中没有资料的时候,可以从书桌或书架上拿书来阅读,那我们桌子上的书,就好比内存,我们虽然可以一伸手就可以拿到,但读写速度肯定远慢于寄存器,那图书馆书架上的书,就好比硬盘,能存储的数据非常大,但是读写速度相比内存差好几个数量级,更别说跟寄存器的差距了。

    我们从图书馆书架取书,把书放到桌子上,再阅读书,我们大脑就会记忆知识点,然后再经过大脑思考,这一系列过程相当于,数据从硬盘加载到内存,再从内存加载到 CPU 的寄存器和 Cache 中,然后再通过 CPU 进行处理和计算。

    对于存储器,它的速度越快、能耗会越高、而且材料的成本也是越贵的,以至于速度快的存储器的容量都比较小。

    CPU 里的寄存器和 Cache,是整个计算机存储器中价格最贵的,虽然存储空间很小,但是读写速度是极快的,而相对比较便宜的内存和硬盘,速度肯定比不上 CPU 内部的存储器,但是能弥补存储空间的不足。

    存储器通常可以分为这么几个级别:

    • 寄存器;

    • CPU Cache;

    1. L1-Cache;

    2. L2-Cache;

    3. L3-Cahce;

    • 内存;

    • SSD/HDD 硬盘

    •   寄存器

      最靠近 CPU 的控制单元和逻辑计算单元的存储器,就是寄存器了,它使用的材料速度也是最快的,因此价格也是最贵的,那么数量不能很多。

      存储器的数量通常在几十到几百之间,每个寄存器可以用来存储一定的字节(byte)的数据。比如:

      • 32 位 CPU 中大多数寄存器可以存储 4 个字节;

      • 64 位 CPU 中大多数寄存器可以存储 8 个字节。

      寄存器的访问速度非常快,一般要求在半个 CPU 时钟周期内完成读写,CPU 时钟周期跟 CPU 主频息息相关,比如 2 GHz 主频的 CPU,那么它的时钟周期就是 1/2G,也就是 0.5ns(纳秒)。

      CPU 处理一条指令的时候,除了读写寄存器,还需要解码指令、控制指令执行和计算。如果寄存器的速度太慢,则会拉长指令的处理周期,从而给用户的感觉,就是电脑「很慢」。

        CPU Cache

      CPU Cache 用的是一种叫 SRAM(Static Random-Access Memory,静态随机存储器) 的芯片。

      SRAM 之所以叫「静态」存储器,是因为只要有电,数据就可以保持存在,而一旦断电,数据就会丢失了。

      在 SRAM 里面,一个 bit 的数据,通常需要 6 个晶体管,所以 SRAM 的存储密度不高,同样的物理空间下,能存储的数据是有限的,不过也因为 SRAM 的电路简单,所以访问速度非常快。

      CPU 的高速缓存,通常可以分为 L1、L2、L3 这样的三层高速缓存,也称为一级缓存、二次缓存、三次缓存。

        L1 高速缓存

      L1 高速缓存的访问速度几乎和寄存器一样快,通常只需要 2~4 个时钟周期,而大小在几十 KB 到几百 KB 不等。

      每个 CPU 核心都有一块属于自己的 L1 高速缓存,指令和数据在 L1 是分开存放的,所以 L1 高速缓存通常分成指令缓存数据缓存

      在 Linux 系统,我们可以通过这条命令,查看 CPU 里的 L1 Cache 「数据」缓存的容量大小:

      $ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index0/size
      32K
      
      

      而查看 L1 Cache 「指令」缓存的容量大小,则是:

      $ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index1/size
      32K
      
      

        L2 高速缓存

      L2 高速缓存同样每个 CPU 核心都有,但是 L2 高速缓存位置比 L1 高速缓存距离 CPU 核心 更远,它大小比 L1 高速缓存更大,CPU 型号不同大小也就不同,通常大小在几百 KB 到几 MB 不等,访问速度则更慢,速度在 10~20 个时钟周期。

      在 Linux 系统,我们可以通过这条命令,查看 CPU 里的 L2 Cache 的容量大小:

      $ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index2/size
      256K
      
      

        L3 高速缓存

      L3 高速缓存通常是多个 CPU 核心共用的,位置比 L2 高速缓存距离 CPU 核心 更远,大小也会更大些,通常大小在几 MB 到几十 MB 不等,具体值根据 CPU 型号而定。

      访问速度相对也比较慢一些,访问速度在 20~60个时钟周期。

      在 Linux 系统,我们可以通过这条命令,查看 CPU 里的 L3 Cache 的容量大小:

      $ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index3/size 
      3072K
      
      

        内存

      内存用的芯片和 CPU Cache 有所不同,它使用的是一种叫作 DRAM (Dynamic Random Access Memory,动态随机存取存储器) 的芯片。

      相比 SRAM,DRAM 的密度更高,功耗更低,有更大的容量,而且造价比 SRAM 芯片便宜很多。

      DRAM 存储一个 bit 数据,只需要一个晶体管和一个电容就能存储,但是因为数据会被存储在电容里,电容会不断漏电,所以需要「定时刷新」电容,才能保证数据不会被丢失,这就是 DRAM 之所以被称为「动态」存储器的原因,只有不断刷新,数据才能被存储起来。

      DRAM 的数据访问电路和刷新电路都比 SRAM 更复杂,所以访问的速度会更慢,内存速度大概在 200~300 个 时钟周期之间。

        SSD/HDD 硬盘

      SSD(Solid-state disk) 就是我们常说的固体硬盘,结构和内存类似,但是它相比内存的优点是断电后数据还是存在的,而内存、寄存器、高速缓存断电后数据都会丢失。内存的读写速度比 SSD 大概快 10~1000 倍。

      当然,还有一款传统的硬盘,也就是机械硬盘(Hard Disk Drive, HDD),它是通过物理读写的方式来访问数据的,因此它访问速度是非常慢的,它的速度比内存慢 10W 倍左右。

      由于 SSD 的价格快接近机械硬盘了,因此机械硬盘已经逐渐被 SSD 替代了。

      存储器的层次关系

      现代的一台计算机,都用上了 CPU Cahce、内存、到 SSD 或 HDD 硬盘这些存储器设备了。

      其中,存储空间越大的存储器设备,其访问速度越慢,所需成本也相对越少。

      CPU 并不会直接和每一种存储器设备直接打交道,而是每一种存储器设备只和它相邻的存储器设备打交道。

      比如,CPU Cache 的数据是从内存加载过来的,写回数据的时候也只写回到内存,CPU Cache 不会直接把数据写到硬盘,也不会直接从硬盘加载数据,而是先加载到内存,再从内存加载到 CPU Cache 中。

      所以,每个存储器只和相邻的一层存储器设备打交道,并且存储设备为了追求更快的速度,所需的材料成本必然也是更高,也正因为成本太高,所以 CPU 内部的寄存器、L1\L2\L3 Cache 只好用较小的容量,相反内存、硬盘则可用更大的容量,这就我们今天所说的存储器层次结构

      另外,当 CPU 需要访问内存中某个数据的时候,如果寄存器有这个数据,CPU 就直接从寄存器取数据即可,如果寄存器没有这个数据,CPU 就会查询 L1 高速缓存,如果 L1 没有,则查询 L2 高速缓存,L2 还是没有的话就查询 L3 高速缓存,L3 依然没有的话,才去内存中取数据。

      所以,存储层次结构也形成了缓存的体系。

      存储器之间的实际价格和性能差距

      前面我们知道了,速度越快的存储器,造价成本往往也越高,那我们就以实际的数据来看看,不同层级的存储器之间的性能和价格差异。

      下面这张表格是不同层级的存储器之间的成本对比图:

      你可以看到 L1 Cache 的访问延时是 1 纳秒,而内存已经是 100 纳秒了,相比 L1 Cache 速度慢了 100 倍。另外,机械硬盘的访问延时更是高达 10 毫秒,相比 L1 Cache 速度慢了 10000000 倍,差了好几个数量级别。

      在价格上,每生产 MB 大小的 L1 Cache 相比内存贵了 466 倍,相比机械硬盘那更是贵了 175000 倍。

      我在某东逛了下各个存储器设备的零售价,8G 内存 + 1T 机械硬盘 + 256G 固态硬盘的总价格,都不及一块 Intle i5-10400 的 CPU 的价格,这款 CPU 的高速缓存的总大小也就十多 MB。

      总结

      各种存储器之间的关系,可以用我们在图书馆学习这个场景来理解。

      CPU 可以比喻成我们的大脑,我们当前正在思考和处理的知识的过程,就好比 CPU 中的寄存器处理数据的过程,速度极快,但是容量很小。而 CPU 中的 L1-L3 Cache 好比我们大脑中的短期记忆和长期记忆,需要小小花费点时间来调取数据并处理。

      我们面前的桌子就相当于内存,能放下更多的书(数据),但是找起来和看起来就要花费一些时间,相比 CPU Cache 慢不少。而图书馆的书架相当于硬盘,能放下比内存更多的数据,但找起来就更费时间了,可以说是最慢的存储器设备了。

      从 寄存器、CPU Cache,到内存、硬盘,这样一层层下来的存储器,访问速度越来越慢,存储容量越来越大,价格也越来越便宜,而且每个存储器只和相邻的一层存储器设备打交道,于是这样就形成了存储器的层次结构。

      再来回答,开头的问题:那机械硬盘、固态硬盘、内存这三个存储器,到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢?

      CPU L1 Cache 随机访问延时是 1 纳秒,内存则是 100 纳秒,所以 CPU L1 Cache 比内存快 100 倍左右

      SSD 随机访问延时是 150 微秒,所以 CPU L1 Cache 比 SSD 快 150000 倍左右

      最慢的机械硬盘随机访问延时已经高达 10 毫秒,我们来看看机械硬盘到底有多「龟速」:

      • SSD 比机械硬盘快 70 倍左右;

      • 内存比机械硬盘快 100000 倍左右,即 10W 倍;

      • CPU L1 Cache 比机械硬盘快 10000000 倍左右,即 1000W倍;

      我们把上述的时间比例差异放大后,就能非常直观感受到它们的性能差异了。如果 CPU 访问 L1 Cache 的缓存时间是 1 秒,那访问内存则需要大约 2 分钟,随机访问 SSD 里的数据则需要 1.7 天,访问机械硬盘那更久,长达近 4 个月。

      可以发现,不同的存储器之间性能差距很大,构造存储器分级很有意义,分级的目的是要构造缓存体系。

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    秒表(定时器扫描按键数码管)小白极客的51单片机笔记(自用)第一部分—存储器介绍第二部分—AT24C02存储芯片介绍第三部分—I2C总线介绍(重点)第四部分—AT24C02数据帧如何插入一段漂亮的代码片生成一个适合你的...
  • 主板知识详解:芯片组和支持CPU类型

    千次阅读 2021-07-26 03:27:28
    主板知识详解:芯片组和支持CPU类型1、芯片芯片组(Chipset)是主板的核心组成部分。如果说中央处理器(CPU)是整个电脑系统的心脏,那么芯片组将是整个身体的躯干。在电脑界,称设计芯片组的厂家为“Core Logic”。...
  • CPU对各种存储器的访问速度排序

    万次阅读 2018-05-05 19:21:24
    CPU对各种存储器的访问速度基本上是:CPU 内部RAM > 外部同步RAM > 外部异步RAM > FLASH/ROM(1)对于程序代码,已经被烧录在FLASH 或ROM 中,我们可以让CPU 直接从其中读取代码执行,但通常这...
  • 存储介质分类: 磁性材料存储器 半导体存储器 光存储器 按功能与存取速度分类: 寄存器型存储器 高速缓冲存储器 主存储器 外存储器 按信息保存时间分类 易失型存储器 非易失型存储器 ...
  • CPU、GPU、FPGA、ASIC等AI芯片特性及对比

    千次阅读 多人点赞 2020-07-24 23:29:58
    FPGA的计算速度快是源于它本质上是无指令、无需共享内存的体系结构。对于保存状态的需求,FPGA中的寄存器和片上内存(BRAM)是属于各自的控制逻辑的,无需不必要的仲裁和缓存,因此FPGA在运算速度足够快,优于GPU。...
  • 芯片内部存储器介绍(转载)

    千次阅读 2019-04-16 16:48:09
    处理器系统中可能包含多种类型的存储期间,如Flash、SRAM、SDRAM、ROM以及用于提高系统性能的Cache等。 一、存储部件分类 1、RAM(random access memory)-随机存取存储器 RAM在任何时候都可以被读写,常作为操作...
  • 存储

    千次阅读 2020-01-07 15:46:57
    tommy整理 处理器的时钟频率和性能以超乎想象的速度增长;但是主存的访问速度(主要是DRAM)的增长却要缓慢的多;...计算,存储,I/O的速度越来越不匹配,平衡体系结构的设计越来越困难。 微处理器速...

空空如也

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存储芯片速度最快的是