第2章则系统地介绍内存和cache的相关基本知识，分析了各种IA平台上的cache技术的特点和优势，并介绍了一个DPDK的重要技术“大页”的使用。

2.1 存储系统简介

一般而言，存储系统不仅仅指用于存储数据的磁盘、磁带和光盘存储器等，还包括内存和CPU内部的Cache。当处理完毕之后，系统还要提供数据存储的服务。存储系统的性能和系统的处理能力息息相关，如果CPU性能很好，处理速度很快，但是配备的存储系统吞吐率不够或者性能不够好，那CPU也只能处于忙等待，从而导致处理数据的能力下降。接下来本章会讨论Cache和内存，对于磁盘和磁带等永久性存储系统，在此不作讨论。

2.1.1 系统架构的演进

在当今时代，一个处理器通常包含多个核心（Core），集成Cache子系统，内存子系统通过内部或外部总线与其通信。

在经典计算机系统中一般都有两个标准化的部分：北桥（North Bridge）和南桥（South Bridge）。它们是处理器和内存以及其他外设沟通的渠道。处理器和内存系统通过前端总线（Front Side Bus, FSB）相连，当处理器需要读取或者写回数据时，就通过前端总线和内存控制器通信。图2-1给出了处理器、内存、南北桥以及其他总线之间的关系。

我们可以看到，该架构所有的处理器共用一条前端总线与北桥相连。北桥也称为主桥（Host Bridge），主要用来处理高速信号，通常负责与处理器的联系，并控制内存AGP、PCI数据在北桥内部传输。而北桥中往往集成了一个内存控制器（最近几年英特尔的处理器已经把内存控制器集成到了处理器内部），根据不同的内存，比如SRAM、DRAM、SDRAM，集成的内存控制器也不一样。南桥也称为IO桥（IO bridge），负责I/O总线之间的通信，比如PCI总线、SATA、USB等，可以连接光驱、硬盘、键盘灯设备交换数据。在这种系统中，所有的数据交换都需要通过北桥：

1. 处理器访问内存需要通过北桥。
2. 处理器访问内存需要通过北桥。
3. 处理器访问内存需要通过北桥。
4. 处理器访问内存需要通过北桥。

可以看出，这种系统的瓶颈就在北桥中。当北桥出现拥塞时，所有的设备和处理器都要瘫痪。这种系统设计的另外一个瓶颈体现在对内存的访问上。不管是处理器或者显卡，还是南桥的硬盘、网卡或者光驱，都需要频繁访问内存，当这些设备都争相访问内存时，增大了对北桥带宽的竞争，而且北桥到内存之间也只有一条总线。

为了改善对内存的访问瓶颈，出现了另外一种系统设计，内存控制器并没有被集成在北桥中，而是被单独隔离出来以协调北桥与某个相应的内存之间的交互，如图2-2所示。这样的话，北桥可以和多个内存相连。

图2-2所示的这种架构增加了内存的访问带宽，缓解了不同设备对同一内存访问的拥塞问题，但是却没有改进单一北桥芯片的瓶颈的问题。

为了解决这个瓶颈，产生了如图2-3所示的NUMA（Non-Uniform Memory Architecture，非一致性内存架构）系统。

在这种架构下，在一个配有四核的机器中，不需要一个复杂的北桥就能将内存带宽增加到以前的四倍。当然，这样的架构也存在缺点。该系统中，访问内存所花的时间和处理器相关。之所以和处理器相关是因为该系统每个处理器都有本地内存（Local memory），访问本地内存的时间很短，而访问远程内存（remote memory），即其他处理器的本地内存，需要通过额外的总线！对于某个处理器来说，当其要访问其他的内存时，轻者要经过另外一个处理器，重者要经过2个处理器，才能达到访问非本地内存的目的，因此内存与处理器的“距离”不同，访问的时间也有所差异，对于NUMA，后续章节会给出更详细的介绍。

2.1.2 内存子系统

为了了解内存子系统，首先需要解释一下和内存相关的常用用语。

1. RAM（Random Access Memory）：随机访问存储器
2. SRAM（Static RAM）：静态随机访问存储器
3. DRAM（Dynamic RAM）：动态随机访问存储器
4. SDRAM（Synchronous DRAM）：同步动态随机访问存储器。
5. DDR（Double Data Rate SDRAM）：双数据速率SDRAM。
6. DDR2：第二代DDR。
7. DDR3：第三代DDR。
8. DDR4：第四代DDR。