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，具体可以看我的这两篇文章。在我的个人博客和CSDN上都已经发布了。在前面的这两章中，我们一直讲，CPU是通过存储器这么一个部件，来获取指令和各种数据的。
但是，从没有更加深入的去讲解这部分的内容。如果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，肯定会知道，计算机有硬盘、内存条、SSD等等，这些类似的就是我们这一讲的主角——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没有太大的帮助啊，我的目标仅仅是编写程序啊！
这可能是大家对基础内容的误解，之所以这个系列的文章叫做《程序猿内容心法》，就是因为这些内容对于程序猿来说是十分重要的。你需要了解存储器的层次结构，因为这将会对你编写的程序的性能产生巨大的影响。原因很简单，上面说了，CPU是通过存储器来访问你编写的程序的。你肯定知道，CPU一般对于访问内存条的优先级肯定是要高于硬盘的，因为内存条更快，所以内存条容量的大小对计算机的性能有着很大的影响。如果你的程序能够直接在内存区，肯定执行速度是更快的，性能自然就更好。
顺便提一下，存储这部分内容较多，我分成几个部分来完成写作。第一步帮助读者建立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。存储器这个部件经过了几十年的发展，已经变得非常复杂了，从最开始的集成电路，到后面的磁带、光盘、磁盘等等，所以，存储器的分类也是比较复杂的。一般存储器可以按照容量、介质、存取方式、作用等来进行分类，但是比较重要的还是后面两种。

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可以分成动态的和静态的，动态的是采用电容保存电荷的原理实现的，静态的则是通过触发器或者说是电路方式实现的，这部分内容后面会详细说明。
  • 只读存储器（ROM），只读，一般用作储存系统信息，因为系统信息一般是不能让用户修改的，所以只读的最好，一般喜欢刷机的同学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，听过磁带的肯定清楚，如果你想要找到某首特定的歌，需要不停地倒带。
  • 直接存取：磁盘，一般访问磁盘是通过给出的地址，访问磁盘上面的对应位置，从而实现数据的读取。

通过作用分类

• 主存
  所谓主存，就是之前讲的，内存条之类的，CPU主要利用的存储器。

• FlashMemory
  闪速存储器，能够在不加电的情况下能长期保持存储的信息。因为主存中的信息在断电以后就无法恢复了，所以闪速存储器很有意义。

• 辅存
  辅存就是辅助存储器，作为扩展存储资源，就是磁盘之类的大容量的存储器，可以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，此时你只需要知道高速缓冲存储器能够进一步提高计算机的性能。实际上，CPU的速度要比所有存储器的速度快上万甚至十几万倍，这就造成了CPU需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，所以才出现了高速缓冲存储器。

存储器的层次结构

存储器的分类并不太重要，只需要知道每种存储器的作用即可。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。寄存器一般存在于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很多。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，形成一个整体，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，而程序猿只需要编写程序，而不需要知道究竟把程序存到哪种存储器中。历史上确实有过这样的一个非常惨的阶段，程序猿需要知道自己编写的程序何时、何地、什么情况下放入哪个存储器中，这简直太令人抓狂了。还好我们现在已经脱离了这个阶段。

上面的金字塔只是让大家建立起一个宏观的认识，这并不是所谓的存储层次结构，真正的存储层次结构分成了两种，一种是缓存-主存结构，另外一种是主存-辅存结构。示意图如下：

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，即便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，所以需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，其实我们就能够明白，为什么到今天，内存条的价格为何会如此之高，一条DDR4 8G内存，就能够达到七八百RMB的样子，而一块1T的硬盘，也不过四百左右。对于用户来讲，如果都用内存条作为存储器，那简直是人傻钱多。所以就需要使用主存-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，又都是非常硬的内容，可能读多了就蒙了，所以我尝试用简短的话完成写作，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，大家重点掌握存储器的层次结构，这非常重要。

结语

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