漫談計算機組成原理（三）存儲器概論

前言

在本系列文章的前兩講中，分別介紹了計算機組成原理這一系列文章的關注點——程序是如何跑起來的，以及系統總線的相關內容，具體能夠看個人這兩篇文章。在個人我的博客和CSDN上都已經發布了。在前面的這兩章中，咱們一直講，CPU是經過存儲器這麼一個部件，來獲取指令和各類數據的。 可是，從沒有更加深刻的去講解這部分的內容。若是你有過裝機的經驗或者學過計算機的導論等等這些基礎課程，確定會知道，計算機有硬盤、內存條、SSD等等，這些相似的就是咱們這一講的主角——存儲器。 你可能會說，我靠我學了這東西好像也沒有什麼用啊，好像知道了底層的東西對我並無太大的幫助啊，個人目標僅僅是編寫程序啊！ 這多是你們對基礎內容的誤解，之因此這個系列的文章叫作《程序猿內容心法》，就是由於這些內容對於程序猿來講是十分重要的。**你須要瞭解存儲器的層次結構，由於這將會對你編寫的程序的性能產生巨大的影響。**緣由很簡單，上面說了，CPU是經過存儲器來訪問你編寫的程序的。你確定知道，CPU通常對於訪問內存條的優先級確定是要高於硬盤的，由於內存條更快，因此內存條容量的大小對計算機的性能有着很大的影響。若是你的程序可以直接在內存區，確定執行速度是更快的，性能天然就更好。 順便提一下，存儲這部份內容較多，我分紅幾個部分來完成寫做。第一步幫助讀者創建起存儲器結構層次的概念，接下來順着這個層次結構分別介紹主存、高速緩衝存儲器、輔助存儲的順序介紹。

存儲器的分類

存儲器的分類是一門比較有意思的事情。存儲器這個部件通過了幾十年的發展，已經變得很是複雜了，從最開始的集成電路，到後面的磁帶、光盤、磁盤等等，因此，存儲器的分類也是比較複雜的。通常存儲器能夠按照容量、介質、存取方式、做用等來進行分類，可是比較重要的仍是後面兩種。

按照存取方式分類

• 存取時間與物理地址無關（隨機訪問）

  • 隨機存儲器（RAM），可讀可寫隨機存儲器還能夠分紅動態的和靜態的，動態的是採用電容保存電荷的原理實現的，靜態的則是經過觸發器或者說是電路方式實現的，這部份內容後面會詳細說明。
  • 只讀存儲器（ROM），只讀，通常用做儲存系統信息，由於系統信息通常是不能讓用戶修改的，因此只讀的最好，通常喜歡刷機的同窗可能會有更深的理解，所謂的ROM包嘛。

• 存取時間與物理地址有關（串行訪問）

  • 順序存取：磁帶，這沒什麼好說的，聽過磁帶的確定清楚，若是你想要找到某首特定的歌，須要不停地倒帶。
  • 直接存取：磁盤，通常訪問磁盤是經過給出的地址，訪問磁盤上面的對應位置，從而實現數據的讀取。

經過做用分類

• 主存 所謂主存，就是以前講的，內存條之類的，CPU主要利用的存儲器。

• FlashMemory 閃速存儲器，可以在不加電的狀況下能長期保持存儲的信息。由於主存中的信息在斷電之後就沒法恢復了，因此閃速存儲器頗有意義。

• 輔存 輔存就是輔助存儲器，做爲擴展存儲資源，就是磁盤之類的大容量的存儲器，能夠輔助計算機讀寫數據。

• 高速緩衝存儲器（Cache） 高速緩衝存儲器是存在於主存與CPU之間的一級存儲器， 由靜態存儲芯片(SRAM)組成，容量比較小但速度比主存高得多， 接近於CPU的速度。關於SRAM後面也會介紹，此時你只須要知道高速緩衝存儲器可以進一步提升計算機的性能。實際上，CPU的速度要比全部存儲器的速度快上萬甚至十幾萬倍，這就形成了CPU須要等待存儲器送來的數據。爲了實現CPU和存儲器之間的速度匹配，是重中之重，因此纔出現了高速緩衝存儲器。

存儲器的層次結構

存儲器的分類並不過重要，只須要知道每種存儲器的做用便可。重中之重是存儲器的層次結構，只有理解好層次結構，才能設計出更棒的程序。

存儲器的層次結構如上圖所示，是一個金字塔形狀的東西。從上到下依次是寄存器、緩存、主存、磁盤、磁帶等。寄存器通常存在於CPU內部，寄存器在第一篇文章中已經介紹過，剩下的就是這一節介紹的。

• 對於金字塔的解釋 這個金字塔看似簡單，但實際上包含的信息不少。最重要也是最著名的，就是「三個特性之間的關係」。
  • 速度：由上到下，由高到低
  • 價格：由上到下，由高到低
  • 容量：由上到下，由低到高

這裏還有一個十分重要的概念：存儲體系（Memory System）。**兩種或者兩種以上介質，使用軟件、硬件、軟硬件結合的方式，造成一個總體，從而使得這個存儲結構，在程序猿的角度看，是一種大容量、高速度的存儲器，而程序猿只須要編寫程序，而不須要知道究竟把程序存到哪一種存儲器中。**歷史上確實有過這樣的一個很是慘的階段，程序猿須要知道本身編寫的程序什麼時候、何地、什麼狀況下放入哪一個存儲器中，這簡直太使人抓狂了。還好咱們如今已經脫離了這個階段。

上面的金字塔只是讓你們創建起一個宏觀的認識，這並非所謂的存儲層次結構，真正的存儲層次結構分紅了兩種，一種是緩存-主存結構，另一種是主存-輔存結構。示意圖以下：

緩存-主存層次主要是用來解決CPU的速度和主存速度不匹配的問題，剛剛講過，即使是內存條這樣的高速設備，速度和CPU依然不在一個數量級上，因此須要這樣一個層次來解決這個問題。而緩存，就是上面說的Cache。 主存-輔存結構主要是解決容量問題，從金字塔的結構中，其實咱們就可以明白，爲何到今天，內存條的價格爲什麼會如此之高，一條DDR4 8G內存，就可以達到七八百RMB的樣子，而一塊1T的硬盤，也不過四百左右。對於用戶來說，若是都用內存條做爲存儲器，那簡直是人傻錢多。因此就須要使用主存-輔存層次來擴展容量。

總結

這些日子有讀者向我反應，我寫的東西太長了，又都是很是硬的內容，可能讀多了就蒙了，因此我嘗試用簡短的話完成寫做，同時縮短文章篇幅。 在本講中，我重點介紹了存儲器的重要性、存儲器的兩種分類方式以及存儲器的層次結構。內容相對簡單，你們重點掌握存儲器的層次結構，這很是重要。

結語

感謝您的閱讀，歡迎指正博客中存在的問題，也能夠跟我聯繫，一塊兒進步，一塊兒交流！

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