存储器概述
一、存储器概述
1、存储器的种类
- 按照不同的维度进行划分，存储器可以分为不同的种类，具体如下：
1.1、按层次分类
- 按照存储器在计算机中的作用进行分类，则可分为主存、辅存和缓存。
1）主存
- 也就是通常意义上的内存，用于存放计算机运行期间所需要的程序和数据，是 CPU 可以直接访问的存储器，也可和辅存、缓存进行数据交换，例如某个软件根目录在硬盘上，则运行时需要将必要的数据和程序加载到内存中 CPU 才能启动和运行该软件，此时就是主存和辅存之间进行数据交换；当我们从高速网络上下载东西，写入速度太快，主存跟不上，此时就可以用到高速缓冲存储器，然后再写入主存。主存的特点是容量较小、存取速度较快、每位价格比较高。
2）辅存
- 也就是外部存储器，用于存放暂时不需要使用但需要保存的数据和程序，还有就是相关信息等，无法与 CPU 直接交互，我们平时工作中的保存，通常就是将数据保存到辅存中；辅存的特点就是容量相当大、存取速度较慢、单位成本低。
3）缓存
- 缓存是一种高速缓冲存储器，也就是 Cache，位于主存和 CPU 之间，主要存放正在执行的程序段和相关数据，以便供 CPU 高速使用；Cache 的速度可以说是所有存储器中速度最高的，几近于 CPU 的速度，容量小，成本高，价格高，通常集成在 CPU 中。
1.2、依材料分类
- 按照存储器的的主要材料，也就是存储介质，有磁表面存储器（磁盘、磁带）、磁芯存储器、半导体存储器（MOS 型存储器、双极型存储器）和光存储器（光盘）
1.3、依存取方式分类
1）随机存储器（RAM）
- 存储器的任何一个单元的内容都是随机存储的，而且存取时间与存储单元的物理位置无关。优点：读写方便、使用灵活，主要用于高速缓冲存储器和主存。RAM 可分为静态 RAM（以触发器原理寄存信息）和动态 RAM（以电容充电原理寄存信息）。
2）只读存储器（ROM）
- 也就是存储器中的内容只能读取，不能写入。特点就是一旦信息成功写入，便固定下来，即使断电，内容也不会丢失。通常用来存放固定不变的程序、常数和汉字字库，甚至操作系统的固化。可与 RAM 一起组成主存的一部分，构成主存的地址域。ROM 派生的存储器中有的也可以反复重写。ROM 和 RAM 都属于随机存取。广义上的只读存储器已经可以通过电擦除的方式进行写入，但仍然是断电后内容保留、随机读取，通常只读存储器的写入要比读取慢得多。
3）串行访问存储器
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对存储单元进行读写操作时，需要按照其物理位置的先后顺序寻址，包括顺序存取存储器（磁带）与直接存取存储器（磁盘）。
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顺序存取存储器：内容只能按照某种顺序存取，存取时间的长短与信息在存储体上的物理位置有关，存取速度因此慢。
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直接存取存储器：介于 RAM 和顺序存取存储器的存取方式之间，存取信息时通常先寻找整个存储器中的某个小区域（如磁盘的磁道），再在小区域内顺序查找。
1.4、按照信息的可保存性分类
- 断电后，存储信息就消失得存储器，称为易失性存储器，如 RAM。
- 断电后信息任然可以保持得存储器，称之为非易失性存储器，如 ROM、磁表面存储器和光存储器。
- 若某个存储单元所存储得信息被读出时，原存储信息被破坏，则称为破坏性读出；若读出时，被读单元原存储信息不被破坏，称为非破坏性读出。具有破坏性读出性能得存储器，每次读操作后，必须紧跟一个再生操作，以便恢复被破坏得信息。
2、衡量存储器的指标
- 衡量存储器的好坏的性能指标主要有：存储容量、单位成本和存储速度。存储器的设计目标是大容量、低成本、高速度。
- 1）存储容量 = 存储字数 * 字长，例如 8M*8位，一字节等于八位二进制位。
- 2）单位成本 = 总成本/总容量
- 3）存储速度，主要用数据传输速率来衡量，数据传输速率 = 数据的宽度/存储周期。
存取时间（Ta）：指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，分为读出时间和写入时间。
存取周期（Tm）：也叫做读写周期或访问周期，指存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，也就是连续两次独立访问存储器操作之间所需要的最小时间间隔。
主存带宽（Bm）：也叫做数据传输速率，表示每秒从主存进出信息量的最大数量，单位主要有：字/秒、字节/秒、位/秒。 - 注意：存取时间不等于存储周期，一般存储周期要大于存取时间，因为任何一种给存储器，在读写操作之后，总要有一段时间用于恢复内部状态的复原时间。特别是破坏性读出的存储器，存储周期有时候可以达到存取时间的两倍。
二、层次化存储系统
- 通常，在现代计算机中，为了让存储系统达到大容量、高速度和低成本的目标，大多采用将不同种类按其成本、容量和速度进行适当的结构化，组成多级存储系统，就如第一个图，寄存器是 CPU 访问最频繁的存储器部件，因此采用速度接近甚至同步与 CPU 的存储器，因为成本高，因此容量不会太大，目前通用的都是 64 位寄存器。
- 图上是这样画，但实际上在电脑元器件中是 CPU、主存和磁盘（辅存）的呈现，因为 寄存器和 Cache通常都是集成在 CPU 芯片上的。而实际中，多级存储系统中的层次化主要体现在 “Cache-主存”和“主存-辅存”这两个前后之间存在性能差异的连接点上，主存往往需要一定的容量，因此无法采用高速但成本高的存储器来制作，因此速度往往跟不上 CPU，若是直接让 CPU 与主存相连，那么 CPU 会经常出现空闲，浪费资源，因此增加一个 Cache 来解决 CPU 和主存速度不匹配的问题。
- 同样的，由于主存的成本也是有的，若是直接像磁盘那样大容量，那么整台电脑的价格势必上涨好多，因此大多数厂商都是用成本比较低的磁盘来作为大容量辅存，从而解决整个存储系统的容量问题。
- 这几个存储层都是可以进行交换信息的，也就是第二个图所示意的，这样的结构也叫做三级存储系统。
主存和 Cache 之间的数据调动由硬件自动完成，对所有的程序员透明；主存和辅存之间的数据调动由硬件和操作系统共同完成，对应用程序员透明。 - 在“主存-辅存”这一层次中，随着科技的发展，出现了虚拟存储系统，在该系统中程序员编程的地址范围与虚拟存储器的地址空间相对应，具有虚拟存储系统的计算机系统，编程时可用的地址空间远大于主存空间。
- 在“Cache-主存”和“主存-辅存”层次中，上一层的内容都只是下一层中内容的副本，也即是 Cache（或主存）中的内容只是主存（辅存）中内容的一部分。
