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前语
大家好，我是小彭。
在计算机组成原理中的许多概念中，开发者触摸得最多的还是内存、硬盘、虚拟内存、CPU 缓存这些概念。这些概念有一个更为抽象的表明 —— 存储器，它是冯 诺依曼计算机体系中的五大组件之一，用于存储程序和数据。
在这个系列中，我将从存储器的金字塔结构打开，围绕 CPU 高速缓存、内存、硬盘、虚拟内存等内容逐步带你深化理解计算机中。
思想导图：
1. 局部性原理
局部性原理是用于制定存储器体系数据办理战略的一个理论基础，咱们能够分为 2 个维度来理解：
- 1、时刻局部性（Temporal Locality）： 时刻局部性表明一个指令或数据被拜访过后，在短时刻内有很大概率会再次拜访。例如，在程序中的一些函数、循环句子或许变量往往会在短时刻内被屡次调用；
- 2、空间局部性（Spatial Locality）： 空间局部性表明一个指令或数据被拜访过之后，与它相邻地址的数据有很大概率也会被拜访。 例如，在程序中拜访了数据的首项元素之后，往往也会拜访继续后续的元素。
在计算机组成原理中，许多战略中都会体现到局部性原理，咱们在学习中能够有意识地相关起来。例如在办理 CPU 高速缓存时，除了能够将当时正在拜访的内存数据加到到缓存中，还能够把相邻内存的数据同时缓存起来（即 CPU 缓存行），也能够进步缓存命中率。
2. 认识存储器体系
2.1 为什么存储器体系要分层？
小伙伴们应该都知道内存和硬盘都是存储器设备。其实，在 CPU 内部中的寄存器和 CPU L1/L2/L3 缓存也同样是存储设备，并且它们的拜访速度比内存和硬盘快几个数量级。那么，为什么要运用内存和硬盘，直接扩大 CPU 的存储能力不行吗？这就要说到存储器的 3 个首要的功能指标： 速度 + 容量 + 每位价格。
一般来说，存储器的容量越大则速度越低，速度越高则价格越高。想要取得一个同时满意容量大、速度高且价格低的 “神奇存储器” 是很难完成的。因而，现代计算机体系会选用分层架构，以满意整个体系在容量、速度和价格上最大的性价比。
2.2 存储器的层次结构
在现代计算机体系中，一般选用 “CPU 寄存器 – CPU 高速缓存 – 内存 – 硬盘” 四级存储器结构。自上而下容量逐步增大，速度逐步减慢，单位价格也逐步降低。
- 1、CPU 寄存器： 存储 CPU 正在运用的数据或指令。寄存器是最靠近 CPU 控制器和运算器的存储器，它的速度最快；
- 2、CPU 高速缓存： 存储 CPU 近期要用到的数据和指令。CPU 高速缓存是坐落 CPU 和内存中间的一层缓存。缓存和内存之间的数据调集是由硬件自动完结的，对上层是彻底通明的。
- 3、内存： 存储正在运转或许即将运转的程序和数据；
- 4、硬盘： 存储暂时不运用或许不能直接运用的程序和数据。硬盘首要解决存储器体系容量不足的问题，硬盘的速度虽然比内存慢，但硬盘的容量能够比内存大许多，并且断电不丢掉数据。
存储器金字塔
在此基础上，对各个层级上进行局部优化，就形成了完好的存储器体系：
- 优化 1 – CPU 三级缓存： 在 CPU Cache 的概念刚呈现时，CPU 和内存之间只有一个缓存，跟着芯片集成密度的进步，现代的 CPU Cache 现已普遍选用 L1/L2/L3 多级缓存的结构来改进功能；
- 优化 2 – 虚拟内存： 程序不能直接拜访物理地址，而是拜访虚拟地址，虚拟地址需求通过地址变换（Address Translation）才干映射到存放数据的物理地址；
- 优化 3 – 页缓存： 为了进步读写功率和维护磁盘，操作体系在文件体系中运用了页缓存机制。
2.3 为什么在 CPU 和内存之间添加高速缓存？
我认为有 2 个原因：
- 原因 1 – 补偿 CPU 和内存的速度差（首要）： 因为 CPU 和内存的速度距离太大，为了拉平两者的速度差，现代计算机会在两者之间刺进一块速度比内存更快的高速缓存。只需将近期 CPU 要用的信息调入缓存，CPU 便能够直接从缓存中获取信息，然后进步拜访速度；
- 原因 2 – 削减 CPU 与 I/O 设备争抢访存： 因为 CPU 和 I/O 设备会竞争同一条内存总线，有可能呈现 CPU 等候 I/O 设备访存的情况。而如果 CPU 能直接从缓存中获取数据，就能够削减竞争，进步 CPU 的功率。
关于 CPU 三级高速缓存的更多内容，请重视专栏文章。
CPU 三级缓存
2.4 为什么要运用虚拟内存拜访内存？
为了满意体系的多进程需求和大内存需求，操作体系在内存这一层级运用了虚拟内存办理。当物理内存资源不足时，操作体系会依照必定的算法将最近不常用的内存换出（Swap Out）到硬盘上，再把要拜访数据从硬盘换入（Swap In）到物理内存上。 至于操作体系如何办理虚拟地址和内存地址之间的关系（段式、页式、段页式），对上层应用彻底通明。
关于虚拟内存的更多内容，请重视专栏文章。
虚拟内存
3. 存储器类型
这一节，咱们来整理常见的存储器类型。
3.1 按存储原料区分
- 1、磁外表存储器： 在金属或塑料外表涂改一层磁性资料作为记载介质，用磁头在磁层上进行读写操作。例如磁盘、磁带、软盘等，现已逐步筛选。
- 2、光盘存储器： 在金属或塑料外表涂改一层磁光资料作为记载介质，用激光在磁层上进行读写操作。例如 VCD、DVD 等，现已逐步筛选。
- 3、半导体存储器： 由半导体器材组成的存储器，现代的半导体存储器都会用超大规模集成电路技能将存储器制成芯片，具有体积小、功耗低、存取速度快的长处，是现在主流的存储器技能。
提示： 因为磁盘和光盘现已逐步从历史中淡去，以后咱们评论的存储器都默认表明半导体存储器。
3.2 按芯片类型区分
半导体存储器依照存取方法区分能够分为 2 种：
- 1、RAM（Random-Access Memory 随机存取存储器）： 指能够通过指令对恣意存储单元进行读写拜访的存储器，在断电后会丢掉悉数信息。RAM 的容量没有 ROM 大，但速度比 ROM 快许多，通常用作计算机主存。
- 2、ROM（Read-Only Memory 只读存储器）： 指只能进行读取操作的存储器，断电后信息不丢掉。跟着半导体技能的开展，在 ROM 的基础上又开展出 EEPROM（电可擦除只读存储器）等技能，它们并不符合 ROM 只读的命名，但因为是在 ROM 上衍生的技能，才沿用了原来的叫法。现在咱们更熟悉的 HDD（机械硬盘）和 SSD（固态硬盘） 都是 ROM 的衍生技能。
RAM 又分为 SRAM 和 DRAM 两种完成类型：
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1、SRAM（静态 RAM）： SRAM 只需在保持通电状态下，内部存储的数据就不会丢掉，因而称为 “静态” RAM。
- 长处： 拜访速度非常快，通常用作 CPU 的高速缓存；
- 缺点： 在 SRAM 中，仅完成 1 比特容量就需求 6~8 个晶体管组成，所以 SRAM 的存储密度不高。
6 个晶体管组成的 1 比特 SRAM
—— 图片引证自 Wikipedia
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2、DRAM（动态 RAM）： DRAM 在保持通电状态下，还需求守时改写，才干确保内部存储的数据不会丢掉，因而称为 “动态” RAM。
- 长处： 完成 1 比特容量只需求 1 个晶体管和 1 个电容组成，所以 DRAM 的存储密度、功耗和价格指标都比 SRAM 优异的多；
- 缺点： 电容会天然放电，为避免某些长期得不到拜访的存储单元丢掉数据，必须选用守时改写的战略。这就导致 DRAM 的数据拜访电路和改写电路都比 SRAM 更复杂，拜访时延也更长，因而，DRAM 一般用作计算机主存。
1 个晶体管和 1 个电容组成的 1 比特 DRAM
—— 图片引证自 计算机组成原理教程
3.3 为什么内存的拜访速度比 CPU 差这么多？
内存的拜访速度受制于 DRAM 的功能瓶颈。
在现在的计算机体系中，计算机内存选用的是基于 DRAM （动态随机存取存储器）芯片的存储器，它的根本单元由一个晶体管 + 一个电容组成，在存储密度、功耗和价格等方面表现优异。但电容会天然放电，需求守时改写来确保信息不丢掉，因而拜访速度受损。而高速缓存是基于 SRAM （静态随机存取存储器）芯片的存储器，它的根本单元由 6~8 个晶体管组成。结构更简略，因而拜访速度更快，但存储密度不高。
4. 总结
- 1、局部性原理是计算机存储器体系的根本原理，分为时刻局部性和空间局部性；
- 2、现代计算机体系为了寻求容量、速度和价格上最大的性价比会选用分层架构，从 “CPU 寄存器 – CPU 高速缓存 – 内存 – 硬盘”自上而下容量逐步增大，速度逐步减慢，单位价格也逐步降低；
- 3、为了补偿 CPU 和内存的速度差和削减 CPU 与 I/O 设备争抢访存，计算机在 CPU 和内存之间添加高速缓存，一般存在 L1/L2/L3 多级缓存的结构；
- 4、为了满意体系的多进程需求和大内存需求，操作体系在内存这一层级运用了虚拟内存办理；
- 5、内存的拜访速度受制于 DRAM 的功能瓶颈。
今天，咱们简略说到了 CPU 的三级缓存，下一篇文章咱们具体打开评论，敬请期待。
参考资料
- 深化浅出计算机组成原理（第 35 讲） —— 徐文浩 著，极客时刻 出品
- 计算机组成原理教程（第 7 章） —— 尹艳辉 王海文 邢军 著
- 10分钟速成课 计算机科学 —— Carrie Anne 著
- principle of locality —— Wikipedia
- Static random-access memory —— Wikipedia
- Dynamic random-access memory —— Wikipedia
