RAM和高速缓存有什么区别？

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。

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。