存储器的层次结构(精)

存储的核心概念存储是计算机系统中的一个重要组成部分，用于存储和管理数据和程序。

它允许计算机在执行指令和处理数据时进行读写操作，并且可以长期保存数据以供以后使用。

存储的核心概念包括存储层次结构、存储器层次、主存储器和辅助存储器。

一、存储层次结构计算机中的存储层次结构是根据存取速度和容量来划分的，它分为多个层次，每个层次都有自己的特点和功能。

存储层次结构从上到下分为：寄存器、高速缓存、主存储器、辅助存储器。

下面我将逐一介绍这些层次。

1. 寄存器：寄存器是存储器层次结构中最接近CPU 的一层，也是最快的一层。

它用于存放CPU 需要立即访问的数据和指令。

寄存器的容量很小，一般只有几十个字节，但是它的读写速度非常快，能够满足CPU 对数据和指令的高速处理需求。

2. 高速缓存：高速缓存是位于CPU 和主存储器之间的一层存储器，作为主存储器和寄存器之间的缓冲区，用于加速CPU 对数据和指令的访问。

高速缓存的容量比寄存器大，但比主存储器小，一般几十到几百个千字节。

它的读写速度比主存储器快，但比寄存器慢。

它通过缓存一部分主存储器中的数据和指令，提高了CPU 对存储器的访问效率。

3. 主存储器：主存储器（也叫内存）是计算机系统中最重要的存储器，用于存放程序和数据。

它的容量比高速缓存大，一般几十到几百个千兆字节。

主存储器的读写速度比高速缓存慢，但比辅助存储器快。

它能够提供给CPU 进行读写操作。

4. 辅助存储器：辅助存储器（也叫外存）是计算机系统中最大的存储器，负责长期保存数据和程序。

它的容量比主存储器大，可以达到几百个千兆字节或者更大。

辅助存储器的读写速度比主存储器慢，但它具有永久存储的特点，即使计算机断电，数据也不会丢失。

以上是存储层次结构中的几个层次，不同层次的存储器在容量、读写速度、价格等方面都有所不同，通过合理地利用这些存储器，可以提高计算机系统的性能和效率。

二、存储器层次存储器层次是指存储器在层次结构中的位置和关系。

【计算机组成原理】存储系统存储器的层次和结构从不同⾓度对存储器进⾏分类：1.按在计算机中的作⽤（层次）分类 （1）主存储器。

简称主存，⼜称内存储器（内存），⽤来存放计算机运⾏期间所需的⼤量程序和数据，CPU 可以直接随机地对其进⾏访问，也可以和告诉缓冲存储器（Cache）及辅助存储器交换数据，其特点是容量较⼩、存取速度较快、单位价格较⾼。

（2）辅助存储器。

简称辅存，⼜称外存储器（外存），是主存储器的后援存储器，⽤来存放当前暂时不⽤的程序和数据，以及⼀些需要永久性保存的信息，它不能与CPU 直接交换信息。

其特点是容量极⼤、存取速度较慢、单位成本低。

（3）⾼速缓冲存储器。

简称 Cache，位于主存和 CPU 之间，⽤来存放正在执⾏的程序段和数据，以便 CPU 能⾼速地使⽤它们。

Cache 地存取速度可与 CPU 的速度匹配，但存储容量⼩、价格⾼。

⽬前的⾼档计算机通常将它们制作在 CPU 中。

2.按存储介质分类 按存储介质，存储器可分为磁表⾯存储器（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）。

3.按存取⽅式分类 （1）随机存储器（RAM）。

存储器的任何⼀个存储单元的内容都可以随机存取，⽽且存取时间与存储单元的物理位置⽆关。

其优点是读写⽅便、使⽤灵活，主要⽤作主存或⾼速缓冲存储器。

RAM ⼜分为静态 RAM （以触发器原理寄存信息，SRAM）和动态 RAM（以电容充电原理寄存信息，DRAM）。

（2）只读存储器（ROM）。

存储器的内容只能随机读出⽽不能写⼊。

信息⼀旦写⼊存储器就固定不变，即使断电，内容也不会丢失。

因此，通常⽤它存放固定不变的程序、常数和汉字字库，甚⾄⽤于操作系统的固化。

它与随机存储器可共同作为主存的⼀部分，统⼀构成主存的地址域。

由ROM 派⽣出的存储器也包含可反复重写的类型，ROM 与RAM 的存取⽅式均为随机存取。

⼴义上的只读存储器已可已可通过电擦除等⽅式进⾏写⼊，其“只读”的概念没有保留，但仍然保留了断电内容保留、随机读取特性，但其写⼊速度⽐读取速度慢得多。

层次化存储器基本结构层次化存储器是计算机系统中重要的存储器层次结构之一，它由多层次的存储器组成，每一层次的存储器都有自己的特点和功能。

在层次化存储器中，不同层次的存储器之间通过数据传输和管理机制进行协调，以提高系统的存储器性能和效率。

一、层次化存储器的概念层次化存储器是指计算机系统中采用多层次存储器结构的存储器系统。

它由多个层次的存储器组成，每一层次的存储器都有自己的特点和功能。

一般来说，层次化存储器由高速缓存、主存储器和辅助存储器三个层次组成。

其中，高速缓存是位于CPU内部的一级缓存，速度最快，容量最小；主存储器是位于CPU外部的二级缓存，速度较快，容量较大；辅助存储器是位于CPU外部的三级缓存，速度较慢，容量最大。

二、层次化存储器的特点1. 高速缓存：高速缓存是位于CPU内部的一级缓存，具有很快的访问速度和较小的容量。

它能够缓存CPU频繁访问的数据和指令，以提高系统的执行效率。

2. 主存储器：主存储器是位于CPU外部的二级缓存，具有较快的访问速度和较大的容量。

它是CPU和辅助存储器之间的桥梁，负责数据的传输和临时存储。

3. 辅助存储器：辅助存储器是位于CPU外部的三级缓存，具有较慢的访问速度和最大的容量。

它主要用于长期存储和备份数据，以及作为主存储器的扩展。

三、层次化存储器的工作原理在层次化存储器中，不同层次的存储器之间通过数据传输和管理机制进行协调工作。

当CPU需要访问数据或指令时，首先会在高速缓存中查找，如果找到了，则直接进行访问；如果没有找到，则会在主存储器中查找，如果找到了，则将数据或指令传输到高速缓存中，并进行访问；如果还没有找到，则会在辅助存储器中查找，如果找到了，则将数据或指令传输到主存储器中，并再次进行查找和访问。

四、层次化存储器的优势层次化存储器的设计思想是利用不同层次的存储器的特点和优势，以提高系统的存储器性能和效率。

具体优势如下：1. 提高存储器访问速度：高速缓存和主存储器具有较快的访问速度，可以满足CPU对数据和指令的快速访问需求，提高系统的执行效率。

请简要介绍存储器层次结构及其作用。

存储器层次结构是计算机体系结构中的一个重要概念，用来描述计算机中不同层次的存储器组织和作用。

它是按照存储器访问速度和容量进行划分，并通过不同层次之间的数据传输来实现高效的数据访问。

存储器层次结构包括多层次的存储器，从高速小容量的寄存器到低速大容量的辅助存储器。

存储器层次结构的作用主要有以下几个方面：1. 提高数据访问速度：存储器层次结构的最底层是寄存器，它位于CPU内部，速度最快。

寄存器被用来存储CPU需要立即访问的数据和指令。

而较高层次的存储器，如高速缓存和主存储器，虽然速度较寄存器慢，但容量更大，可以存储更多的数据和指令。

通过将频繁使用的数据和指令存储在高速缓存中，可以缩短CPU从主存储器中读取数据的时间，从而提高数据访问速度。

2. 增加存储容量：存储器层次结构的最高层是辅助存储器，如硬盘或固态硬盘。

辅助存储器的容量远大于其他层次的存储器，它可以存储大量的数据和程序。

虽然辅助存储器的速度较慢，但它提供了长期存储数据的能力，可以保存在断电后不会丢失的数据。

通过将不常用的数据和程序存储在辅助存储器中，可以释放高速缓存和主存储器的空间，提高系统的整体存储容量。

3. 优化存储器资源的利用：存储器层次结构可以根据不同的访问模式和数据访问特点来优化存储器资源的利用。

高速缓存作为CPU和主存储器之间的缓冲区，可以根据程序的局部性原理，预先将可能会被使用的数据和指令存储在高速缓存中，以提高命中率。

同时，高速缓存还可以利用替换算法来选取最不常用的数据进行替换，以保证高速缓存中存储的是最有用的数据。

4. 提高系统性能：存储器层次结构的设计可以提高系统的整体性能。

通过将数据和指令存储在更接近CPU的存储层次中，可以减少数据传输的延迟，加快数据访问速度。

同时，存储器层次结构还可以根据程序的特性和访问模式进行优化，提高命中率和数据的局部性，减少不必要的数据传输，提高系统的整体性能。

存储器层次结构在计算机体系结构中起着重要的作用。

存储器层次结构存储器层次结构存储技术计算机技术的成功很⼤程度来源于存储技术的巨⼤进步。

早期的电脑甚⾄没有磁盘。

现在电脑上的磁盘都已经按T算了。

随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)分两类：静态的：SRAM，⾼速缓存存储器，既可以在CPU，也可以在⽚下。

动态的：DRAM，⽤于主存或者图形系统帧缓冲区。

通常情况下，SRAM的容量都不会太⼤，⽽相⽐之下DRAM容量可以⼤得离谱。

静态RAMSRAM将每个位存储在⼀个双稳态存储器单元⾥，每个单元⽤⼀个六晶体管电路实现。

这种电路有⼀个属性，它可以⽆限期地保持两个不同的状态的其中⼀个，其他状态都是不稳定的。

如上图，它能稳定在左态和右态，如果处于不稳定状态，它就像钟摆⼀样⽴刻变成两种稳态的其中⼀种。

也因为它的双稳态特性，即使有⼲扰，等到⼲扰消除，电路就能恢复成稳定值。

动态RAMDRAM的每个存储是⼀个电容和访问晶体管组成，每次存储相当于对电容充电。

该电容很⼩，⼤约只有30毫微微法拉。

因为每个存储单元⽐较简单，DRAM可以造的⾮常密集。

但它对⼲扰⾮常敏感，被⼲扰后不会恢复。

因此它必须周期性地读出重写来刷新内存的每⼀位。

或者使⽤纠错码来纠正任何单个错误。

两者总结传统的DRAMDRAM芯⽚内的每⼀个单元被叫做超单元。

在芯⽚内，总共有d 个超单元，它们被排列成⼀个r×c ⼤⼩的矩阵，也就是说d=r×c，每个超单元都可以⽤类似(i,j) 之类的地址定位⽽每个超单元则是由w 个DRAM单元组成。

因此⼀个DRAM芯⽚可以存储dw 位的信息。

上图是⼀个16×8 的DRAM芯⽚的组织。

⾸先由两个addr引脚依次传⼊⾏地址i 和列地址j 。

每个引脚携带⼀个信号。

由于这是4×4 的矩阵，因此两个就够了。

然后定位到(i,j) ，将该地址的超单元信息传出去。

n局部性原理★n存储器层次结构☆n高速缓存存储器☆n到目前为止的计算机模型中，我们假设计算机的存储器系统是一个线性的字节数组，而CPU能够在一个常数时间内访问每个存储器位置。

但它没有反映现代系统实际的工作方式。

n实际上，存储器系统是一个具有不同容量、成本和访问时间的存储设备的层次结构。

n如果你的程序需要的数据是存储在CPU寄存器中，那在指令的执行期间，在零个周期内就能访问到它们；如果存储在高速缓存中，需要1~30个周期；如存储在主存中，需要50~200个周期；如存储在磁盘上，需要大约几千万个周期n作为一个程序员，需要理解存储器层次结构，它对应用程序的性能有着巨大的影响，这是因为计算机程序的一个称为局部性的基本属性引起的。

•不同矩阵乘法核心程序执行相同数量的算术操作，但有不同程度局部性，它们运行时间可以相差20倍•本章将介绍基本的存储技术、局部性、高速缓冲存储器等内容。

n局部性原理★n存储器层次结构☆n高速缓存存储器☆•RAM(随机访问存储器，Random-Access Memory )–静态RAM (SRAM)•每个cell使用6个晶体管电路存储一个位•只要有电，就会无限期地保存它的值•相对来说，对电子噪声等干扰不敏感•比DRAM更快、更贵–动态RAM (DRAM)•每个cell使用1个电容和1个访问晶体管电路存储一个位•每隔10-100 ms必须刷新值•对干扰敏感•比SRAM慢，便宜ü拍、太、吉、兆、千、毫、微、纳(毫微)、皮(微微)、飞(毫微微)•传统DRAM芯片–所有cell被组织为d个supercell，每个supercell包含了w个cell，一个d×w的DRAM总共存储了dw位信息。

supercell被组织成r行c 列的矩阵，即rc=d。

•步骤1(a): Row access strobe (RAS)选择row 2•步骤1(b): 从DRAM阵列中拷贝Row 2到行缓冲区•步骤2(a): Column access strobe (CAS)选择column 1。

计算机存储器的层次结构计算机存储器的层次结构是一种按照速度、容量和成本等因素进行优化的层次化设计，用于满足计算机对数据存储和读写的要求。

一般情况下，计算机存储器系统包括几个主要层次：寄存器、缓存、主存和辅助存储器。

下文将详细介绍每个层次的特点和作用。

1. 寄存器（Register）：寄存器是计算机中速度最快的存储器，位于CPU内部，通常由硬件实现。

寄存器既可以存储指令，也可以存储数据。

它的特点是容量小且成本高，但读写速度非常快。

寄存器的主要作用是存储CPU当前的工作数据，如指令地址、运算结果等。

2. 缓存（Cache）：缓存是位于CPU和主存之间的高速存储器，用于解决CPU和主存之间的速度不匹配问题。

由于主存的读写速度无法满足CPU的高速计算需求，缓存可以暂时存储主存中的部分数据，以提高CPU的访问速度。

缓存分为一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2 Cache），一级缓存一般嵌入在CPU内部，容量较小但速度很快，而二级缓存位于CPU和主存之间，容量较大但速度稍慢。

3. 主存（Main Memory）：主存也称为内存，是计算机中用于存储数据和指令的主要存储器。

主存分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种类型。

随机存储器是一种易失性存储器，具有读写功能，其内容在断电后会丢失。

而只读存储器是一种不可擦写、只读的存储器，用于存储固定不变的数据和程序。

主存的特点是容量大但速度较慢，价格适中。

4. 辅助存储器（Auxiliary Storage）：辅助存储器通常是指硬盘、光盘等外部的大容量存储介质。

与主存相比，辅助存储器的容量更大，价格更便宜，但读写速度更慢。

辅助存储器一般被用于长期存储大量的数据和程序，以及作为主存的扩展。

存储器的层次结构的设计原理是通过将数据和指令分级存储在各个层次，根据访问频率和速度要求将数据从慢速的层次复制到快速的层次中，以提高计算机的运行效率。

具体而言，数据和指令首先从辅助存储器加载到主存中，当CPU需要访问数据时，首先在缓存中查找，如果找不到则从主存中读取，如果还是找不到则从辅助存储器中读取。