详解计算机储存系统，局部性原理，高速缓存与寄存器的作用

计算机储存系统

根据机械原理，较大的存储设备要比较小的存储设备运行得慢，而快速设备的造价远高于同类的低速设备。比如说，一个典型系统上的磁盘驱动器可能比主存大1000倍，但是对处理器而言，从磁盘驱动器上读取一个字的时间开销要比从主存中读取的开销大1000万倍。
针对这个原因，计算机系统中的储存结构被设计成了多层，根据访问速度来排列，最顶层的访问速度最快相应的造假也更高储存容量更少，低层的造价便宜容量大，访问速度也更低，这样设计的主要原因是上一层的存储器作为低一层存储器的缓存，这种设计有效的原因是使用了局部性原理

局部性原理

局部性原理，简单来说，就是利用数据访问的特性，将频繁或快要访问的数据加载到高性能的存储设备上，比如高速缓存，而将不常用的数据放在低成本的存储设备上，比如硬盘。
数据访问特性主要分为两种，时间局部性与空间局部性

• 时间局部性
  如果一个数据被访问，那么它在不久的将来很可能被再次访问，比如在程序中的循环结构、重复操作或频繁调用的函数，导致某些数据（如循环变量、计数器等）被反复使用，通过缓存保留最近访问的数据，可大大减少重复访问低级存储器的延迟。
• 空间局部性
  如果一个数据被访问，那么它附近的数据（如相邻内存地址）也可能在不久的将来被访问，缓存不仅加载被请求的数据，还会预取其相邻数据（如整个缓存行或磁盘块），因为程序很可能随后访问这些相邻数据，比如遍历一维数组时，访问元素 a[i] 后，很可能继续访问 a[i+1]。
  通过这两种特性，储存系统可以高效的将数据放入缓存中，减少访问低级储存设备带来的延迟

高速缓存

处理器访问主存或者磁盘等外部储存单元，速度及慢，而在整个计算机系统中数据的访问与复制是非常频繁的，为了解决这一点，设计师们设计了一种介于处理器与主存之间的储存设备高速缓存，用来储存处理器未来可能需要的数据
现在主流的处理器都设计有，三个高速缓存分别为L1、L2、L3，L1高速缓存一般直接设计中处理器中，它的访问速度是最快的接近于访问寄存器，相应的储存大小也是最小的，而L2、L3的访问速度低于L1，不过容量更大

• L1缓存：分为指令缓存与数据缓存，直接嵌入处理器核心，延迟约1-4个时钟周期，容量通常为32-64KB。
• L2缓存：核心私有或共享，容量数百KB至数MB，延迟约10-20周期。
• L3缓存：多核共享，容量数MB至数十MB，延迟约30-50周期。
  高速缓存以“缓存行”（通常64字节）为单位加载数据，利用空间局部性预取相邻数据。
  缓存行是缓存与主存之间数据传输的最小单位。当处理器访问某个内存地址时，缓存控制器会一次性加载该地址所在的整个缓存行，而非仅请求的单个字节或字，常见的缓存行大小为 64字节（如x86、ARM架构），部分架构可能使用其他大小（如32字节或128字节）。大小选择需权衡空间局部性利用率和缓存污染风险。
  

L1、L2、L3高速缓存也充分利用了局部性原理

寄存器与寄存器文件

寄存器是CPU内部的小型、高速存储单元，直接嵌入在处理器核心中，其容量通常为固定大小（例如32位或64位），不过访问速度远高于内存（L1缓存也比寄存器慢），在指令执行过程中，直接参与算术逻辑运算（ALU 操作）、数据搬运和指令控制，如“加法指令”可能要求将两个寄存器的值相加，并将结果存回一个寄存器。
寄存器分为两大类，通用寄存器与专用寄存器

• 通用寄存器
  用于存储临时数据和地址，例如x86架构的EAX、EBX，ARM的R0-R15，RISC-V的x0-x31。
• 专用寄存器
  • 程序计数器（PC）：存储下一条待执行指令的地址。
  • 栈指针（SP）：指向当前栈顶地址。
  • 状态寄存器（FLAGS/PSW）：存储运算结果的状态（如零标志、进位标志）。
  • 指令寄存器（IR）：暂存当前正在执行的指令。
    通过寄存器可以大大提高系统的运行效率，将频繁使用的数据保存在寄存器中，避免低速的内存访问，并且指令操作数直接从寄存器读取，无需等待内存。多个寄存器可同时为不同指令提供数据（如流水线中的多条指令）。

寄存器文件是CPU内部的一组寄存器的集合， 通常由高速静态随机存储器（SRAM）构成，支持多路读写，以结构化方式组织（如数组或矩阵），通常通过多端口访问，允许同时读取多个寄存器的值（例如RISC指令需要两个源操作数），允许在一个时钟周期内写入结果（如超标量处理器支持多指令提交）。

主存

主存是一个临时存储设备，在处理器执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据。从物理上来说，主存是由一组动态随机存取存储器（DRAM)芯片组成的，从逻辑上来说，存储器是一个线性的字节数组，每个字节都有其唯一的地址(数组索引)，这些地址是从零开始的。
主存是介于高速缓存与外部存储（如磁盘、SSD）之间的核心存储层次，承担着程序和数据临时存储的核心任务。主存直接与CPU交互，是计算机运行程序和数据处理的“工作台”。