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一、什么是存储器
在计算机系统中存储器Memory用于存储程序、数据、中间结果是CPU进行计算和处理时不可或缺的组件。可以说没有存储器计算机就像一个没有记忆的大脑无法执行任何复杂的任务。 故事标题《计算机王国与它的记忆家族》
很久很久以前在一个叫做“计算机王国”的地方住着一位英明神武但脾气暴躁的国王——CPU陛下。他每天都在下达指令、处理事务、计算大计。可有个问题困扰了他很久“我脑子太小了每次办事都要等人去取东西我等得心烦意乱”于是他建立了一个记忆家族这些成员专职帮他“记住事情”和“找东西”这就是我们说的——存储器家族。 第一层王的贴身秘书——寄存器Register
寄存器是CPU陛下的贴身秘书住在王宫CPU核心里每天随侍在侧。 它们速度最快可以一口气说三句话 但它们记忆力很小只能记一些非常重要的东西 比如正在计算的数、结果、下一步指令。
CPU陛下一喊“秘书我刚才加了个数结果是多少” 寄存器立刻回答“陛下是42” CPU满意地说“干得漂亮来继续下一步。” 第二层聪明管家——Cache 高速缓存
寄存器太少了CPU又懒得每次都跑远处找资料于是请来了一位聪明的管家 Cache。Cache 像个内务总管记得最多被用到的数据 他速度也快虽然没秘书快 他专门在后台分析 CPU 用过的资料 然后准备好下一次要用的内容。
比如 CPU 正在加法 第一次找数据去找 RAM慢得要命 Cache 记住它 下次再要用Cache 跑来“陛下这个我提前准备好了”
于是CPU 大喜“有你朕再也不用跑腿了” 第三层大管仓库——主存 RAMRandom Access Memory
Cache 毕竟容量有限CPU还需要更大的仓库来存放程序、数据和资料。
这时主存 RAM随机存储器被任命为“国家图书馆”。 它能存下整本程序代码 但速度比 Cache 慢一些 每次 CPU 要读写它都得花好几步时间。
不过 RAM 很听话每次开机它就乖乖等候差遣但它有一个大问题 只要王国断电它就什么都忘了 所以 RAM 是健忘的大仓库白天干活晚上失忆。 第四层皇家档案馆——ROM 只读存储器Read Only Memory
怕 RAM 忘事怎么办国王下令建造ROMRead-Only Memory皇家档案馆 它只写一次永久保存 存的内容是“皇家法典”——比如开机指令、BIOS程序 即使世界末日断电也不会忘。
ROM 记性超好毕竟写死了。 第五层百姓仓库——硬盘、U盘、SSD外存
王国还有成千上万的老百姓他们每天写日记、存照片、记录账本。
这些东西放不进 RAM、Cache更不进寄存器于是他们统一保存在 硬盘HDD老式的仓库读写慢但便宜 固态硬盘SSD新式仓库速度快点儿 U盘、光盘流动存储数据搬来搬去
这些仓库组成了外存储器系统每天为整个王国提供“长久的记忆”。 最后的运作流程
整个王国的日常运作是这样的 国王CPU决定处理一个任务 他让秘书寄存器准备好关键数据 秘书不够用就找 Cache Cache 也找不到就去 RAM RAM 若没内容再去硬盘取资料 如果是最初启动ROM 提供法典BIOS指导大家开始工作。 总结记忆家族的大事记
层级成员位置特点用途1寄存器CPU 内部速度最快容量最小临时变量指令操作数2CacheCPU 旁快速缓冲预测性高提高访问效率3主存RAM内存条大容量易失性程序和数据的主阵地4ROM主板上小容量非易失性固化指令如 BIOS5外存硬盘、U盘主机外部最慢容量最大长期存储用户资料 二、存储器的主要作用 保存程序代码如操作系统、应用软件 保存数据输入数据、运算结果、中间变量 支持CPU与外设之间的信息交换 三、存储器的分类
计算机中的存储器按不同维度可以进行多种分类 1. 按存储器所在层级分类层次结构
现代计算机系统采用多层次存储结构从速度快、容量小、价格高到速度慢、容量大、价格低逐级展开。
层级名称特点寄存器RegisterCPU 内部速度最快、容量最小、访问时间 1 个 CPU 周期高速缓存CacheCPU 内部/外部较快容量适中用于存放最近或常用数据主存储器Main MemoryRAM/ROM程序运行时的主要存储空间辅助存储器Secondary Storage硬盘、固态硬盘容量大、速度慢、价格低永久保存外存储器External StorageU盘、光盘等便携通常用于数据交换或备份 2. 按读写方式分类
类型描述举例随机存取存储器RAM任意位置可读写断电数据丢失DRAM、SRAM只读存储器ROM通常只能读掉电不丢失ROM、EPROM、EEPROM、Flash RAMRandom Access Memory 易失性存储器断电数据丢失 包括 SRAM静态 RAM速度快成本高常用于 Cache DRAM动态 RAM容量大速度慢常用于主存如 DDR4 ROMRead Only Memory 非易失性存储器断电数据保留 包括 MROM掩膜只读出厂即写入无法更改 EPROM紫外线擦除可重写 EEPROM电擦除可重写 Flash快速擦除广泛用于固态硬盘、BIOS 等 3. 按信息是否可变分类
分类描述举例易失性存储器断电后数据丢失RAM非易失性存储器断电后数据保留ROM、Flash、硬盘 4. 按存取方式分类
类型描述随机存取Random Access任意地址可直接访问访问时间恒定顺序存取Sequential Access必须按顺序读取速度慢如磁带直接存取Direct Access先定位再读取如硬盘 四、主流存储器技术比较
特性SRAMStatic RAMDRAMDynamic RAMFlashHDD速度极快较快中等较慢是否掉电保存否否是是成本高中等低很低用途Cache主存BIOS、SSD辅存 五、存储器在计算机中的工作流程简述 程序从硬盘载入主存RAM CPU 执行程序时将部分数据装入 Cache 如果数据不在 Cache就去主存查找 执行完毕的结果可以写回主存或保存到硬盘
这种“热数据上层、冷数据下层”的设计就是存储器层次结构的核心。 六、常见误区澄清
误区正确解释ROM 不能写多数 ROM如 EEPROM、Flash可多次写入RAM 就是主存实际上主存是 DRAM 的一种实现主存不影响速度主存速度与 CPU 配合程度对性能影响极大Cache 无需配置Cache 的大小和策略影响程序效率明显
存储器性能指标
在看存储器性能指标之前我们可以学习一些预备知识加快我们理解一些指标的意义和来源 最重要的是存储容量
存储容量存储器能够存放的二进制位数的综合
存储容量 存储字长 * 字长
其中存储字长表示存储器地址空间的大小即存储器的存储单元数目
字长即存储字长表示一次存储操作的二进制数据位数
