漫谈计算机组成原理（三）存储器概论

前言

在本系列文章的前两讲中，分别介绍了计算机组成原理这一系列文章的关注点——程序是如何跑起来的，以及系统总线的相关内容，具体能够看个人这两篇文章。在个人我的博客和CSDN上都已经发布了。在前面的这两章中，咱们一直讲，CPU是经过存储器这么一个部件，来获取指令和各类数据的。 可是，从没有更加深刻的去讲解这部分的内容。若是你有过装机的经验或者学过计算机的导论等等这些基础课程，确定会知道，计算机有硬盘、内存条、SSD等等，这些相似的就是咱们这一讲的主角——存储器。 你可能会说，我靠我学了这东西好像也没有什么用啊，好像知道了底层的东西对我并无太大的帮助啊，个人目标仅仅是编写程序啊！ 这多是你们对基础内容的误解，之因此这个系列的文章叫作《程序猿内容心法》，就是由于这些内容对于程序猿来讲是十分重要的。**你须要了解存储器的层次结构，由于这将会对你编写的程序的性能产生巨大的影响。**缘由很简单，上面说了，CPU是经过存储器来访问你编写的程序的。你确定知道，CPU通常对于访问内存条的优先级确定是要高于硬盘的，由于内存条更快，因此内存条容量的大小对计算机的性能有着很大的影响。若是你的程序可以直接在内存区，确定执行速度是更快的，性能天然就更好。 顺便提一下，存储这部份内容较多，我分红几个部分来完成写做。第一步帮助读者创建起存储器结构层次的概念，接下来顺着这个层次结构分别介绍主存、高速缓冲存储器、辅助存储的顺序介绍。

存储器的分类

存储器的分类是一门比较有意思的事情。存储器这个部件通过了几十年的发展，已经变得很是复杂了，从最开始的集成电路，到后面的磁带、光盘、磁盘等等，因此，存储器的分类也是比较复杂的。通常存储器能够按照容量、介质、存取方式、做用等来进行分类，可是比较重要的仍是后面两种。

按照存取方式分类

• 存取时间与物理地址无关（随机访问）

  • 随机存储器（RAM），可读可写随机存储器还能够分红动态的和静态的，动态的是采用电容保存电荷的原理实现的，静态的则是经过触发器或者说是电路方式实现的，这部份内容后面会详细说明。
  • 只读存储器（ROM），只读，通常用做储存系统信息，由于系统信息通常是不能让用户修改的，因此只读的最好，通常喜欢刷机的同窗可能会有更深的理解，所谓的ROM包嘛。

• 存取时间与物理地址有关（串行访问）

  • 顺序存取：磁带，这没什么好说的，听过磁带的确定清楚，若是你想要找到某首特定的歌，须要不停地倒带。
  • 直接存取：磁盘，通常访问磁盘是经过给出的地址，访问磁盘上面的对应位置，从而实现数据的读取。

经过做用分类

• 主存 所谓主存，就是以前讲的，内存条之类的，CPU主要利用的存储器。

• FlashMemory 闪速存储器，可以在不加电的状况下能长期保持存储的信息。由于主存中的信息在断电之后就没法恢复了，因此闪速存储器颇有意义。

• 辅存 辅存就是辅助存储器，做为扩展存储资源，就是磁盘之类的大容量的存储器，能够辅助计算机读写数据。

• 高速缓冲存储器（Cache） 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。关于SRAM后面也会介绍，此时你只须要知道高速缓冲存储器可以进一步提升计算机的性能。实际上，CPU的速度要比全部存储器的速度快上万甚至十几万倍，这就形成了CPU须要等待存储器送来的数据。为了实现CPU和存储器之间的速度匹配，是重中之重，因此才出现了高速缓冲存储器。

存储器的层次结构

存储器的分类并不过重要，只须要知道每种存储器的做用便可。重中之重是存储器的层次结构，只有理解好层次结构，才能设计出更棒的程序。

存储器的层次结构如上图所示，是一个金字塔形状的东西。从上到下依次是寄存器、缓存、主存、磁盘、磁带等。寄存器通常存在于CPU内部，寄存器在第一篇文章中已经介绍过，剩下的就是这一节介绍的。

• 对于金字塔的解释 这个金字塔看似简单，但实际上包含的信息不少。最重要也是最著名的，就是“三个特性之间的关系”。
  • 速度：由上到下，由高到低
  • 价格：由上到下，由高到低
  • 容量：由上到下，由低到高

这里还有一个十分重要的概念：存储体系（Memory System）。**两种或者两种以上介质，使用软件、硬件、软硬件结合的方式，造成一个总体，从而使得这个存储结构，在程序猿的角度看，是一种大容量、高速度的存储器，而程序猿只须要编写程序，而不须要知道究竟把程序存到哪一种存储器中。**历史上确实有过这样的一个很是惨的阶段，程序猿须要知道本身编写的程序什么时候、何地、什么状况下放入哪一个存储器中，这简直太使人抓狂了。还好咱们如今已经脱离了这个阶段。

上面的金字塔只是让你们创建起一个宏观的认识，这并非所谓的存储层次结构，真正的存储层次结构分红了两种，一种是缓存-主存结构，另一种是主存-辅存结构。示意图以下：

缓存-主存层次主要是用来解决CPU的速度和主存速度不匹配的问题，刚刚讲过，即使是内存条这样的高速设备，速度和CPU依然不在一个数量级上，因此须要这样一个层次来解决这个问题。而缓存，就是上面说的Cache。 主存-辅存结构主要是解决容量问题，从金字塔的结构中，其实咱们就可以明白，为何到今天，内存条的价格为什么会如此之高，一条DDR4 8G内存，就可以达到七八百RMB的样子，而一块1T的硬盘，也不过四百左右。对于用户来说，若是都用内存条做为存储器，那简直是人傻钱多。因此就须要使用主存-辅存层次来扩展容量。

总结

这些日子有读者向我反应，我写的东西太长了，又都是很是硬的内容，可能读多了就蒙了，因此我尝试用简短的话完成写做，同时缩短文章篇幅。 在本讲中，我重点介绍了存储器的重要性、存储器的两种分类方式以及存储器的层次结构。内容相对简单，你们重点掌握存储器的层次结构，这很是重要。

结语

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