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前言
生活中经常听到这句话“一分钱一分货，哪有那么多又便宜又好用”，在计算机存储系统中，也是如此，存储速度越快的，也就越贵，并且是呈指数的贵。计算机存储呈如下金字塔排布。
理想情况下，咱们肯定期望具有无限大的内存容量，这样就能够立刻拜访任何一个特定的机器字，但咱们不得不认识到有或许需求构建分层结构的存储器，每一层次容量都要大于前一层次，但其拜访速度也要更慢一些。
你是不是经常被以下名词弄得晕头转向。ROM/RAM/DRAM/SRAM/SDRAM/DDR SDRAM等等，下面，我尽力以上图为参阅，从上到下，说明各个层次存储器的特色和差异，并对它们的作业原理做一些扼要的说明
1.寄存器（Register）
寄存器是CPU中的一部分。它是一个高速存贮部件，能够用来暂存指令、数据和地址。每个CPU中有多个寄存器，例如8086CPU中含有14个寄存器。
寄存器是CPU的内部组成单元，是CPU运算时取指令和数据最快的当地。它能够用来暂存指令、数据和地址。在CPU的控制部件中，包括的寄存器有指令寄存器（IR）和程序计数器（PC）。CPU的算术逻辑部件中，包括的寄存器有累加器（ACC）。 下图中蓝色小框里边，满是寄存器。
2.高速缓存（Cache）与主存
2.1 引入cache的意图
计算机在运行程序时，首先将程序从磁盘读取到主存，然后CPU按规则从主存中取出指令，数据并履行指令，但是直接从主存（一般是DRAM）中读写是很慢的，所以引入了高速缓存（Cache）。
在程序运行前首先会企图将指令，数据从主存中读取到Cache中，然后在程序履行时直接拜访Cache，假如指令和数据能够从Cache中读取到，那么就说是“射中（hit）”，反之便是“不射中（miss）”，miss情况下需求从主存中读取指令或许数据，这样会直接影响CPU的性能，所以射中率对CPU来说至关重要。
现代处理器一般有三层cache，别离称为L1 cache、L2 cache、L3 cache。L1 cache离CPU核最近，存储信息的读取速度挨近CPU核的作业速度，容量较小，一般分红I-cache和D-cache两块，别离存储指令和数据；L2 cache比L1更远，速度慢一些，但是容量更大，不分I-cache和D-cache；L3更慢、更大，现在流行多核处理器，L3一般由多个处理器核共享，而L1、L2是单核私有的。
实际上cache是一个广义的概念，能够以为主存是磁盘的cache，而CPU内cache又是主存的cache，运用cache的意图便是伪造出一个容量有低层次存储器（如磁盘）那么大，而速度又有寄存器（如通用寄存器）那么快的存储器，简略来说就要让存储单元看起来又大又快。
2.2 cache的理论基础
cache之所以能work，首要根据两个认识，即程序运行时数据具有时刻局部性和空间局部性。
时刻局部性是指一个数据假如当时被运用到，那么接下去一段时刻它很或许被再次用到；空间局部性是指一个数据假如当时被运用到，那么接下去一段时刻它周围的数据很或许也会被用到，比方数组。
2.3 Cache的组成方法
cache容量较小，所以数据需求依照必定的规则从主存映射到cache。一般把主存和cache分割成必定巨细的块，这个块在主存中称为data block，在cache中称为cache line。 举个比方，块巨细为1024个字节，那么data block和cache line都是1024个字节。当把主存和cache分割好之后，咱们就能够把data block放到cache line中，而这个“放”的规则一般有三种，别离是“直接映射”、“组相联”和“全相联”。
直接映射
直接映射选用“取模”的方法进行一对一映射。举个比方，假如cache中共有8个cache line，那么0、8、16、24…号data block会被映射到0号cache line中，同理1、9、17….号data block会被映射到1号cache line中，详细能够参阅下面的联系图。
组相联：
直接映射中主存中的每一个data block都有一个确认的cache line进行映射，这是有缺陷的。当程序连续读取0、8、0、8号data block的数据时，因为只要一个cache line供映射，所以当第二次读取0号block时，第一次读到cache中的0号block早被顶替出去了，这时候又会产生miss，miss会极大地影响履行功率。
为了处理上面的问题，提出运用“组相联”的方法。组相联的主存-cache对应联系见下图。
根据上图咱们很容易发现比起直接映射，组相联翻倍了block能够映射的cache line的数量，图上数量为2，咱们称每两个cache line为一个cache set。
全相联
全相联是极端的组相联，即cache只要一个cache set。每一个data block都能够存进任何一个cache line。下图是对应联系。
2.4.RAM与ROM
计算机中按存储类型划分为随机存储器（Random Access Memory, RAM）和只读存储器（Read Only Memory, ROM）
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（1）随机存储器（Random Access Memory, RAM）
RAM是一种可读/写存储器，其特色是存储器的任何一个存储单元的内容都能够随机存取，并且存取时刻域存储单元的物理位置无关。
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（2）只读存储器（Read Only Memory, ROM）
望文生义，ROM只能对其存储的内容读出，不能对其重新写入。因而，一般用它寄存固定不变的程序、常数、汉字字库等。寄存在ROM设备中的程序一般称为固件(firmware)。比方咱们计算机的BIOS，便是寄存在ROM中的。 随着半导体技术的发展，出现了可编程只读存储器（Programmable ROM, PROM）、可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable ROM, EPROM）及用电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erassable Programmable ROM, EEPROM）。近年来还出现了闪速存储器（Flash Memory），它根据EEPROM。
高速缓存和主存都是RAM（Random-Access Memory，随机拜访存储器），它分为静态的（SRAM）和动态的（DRAM），别离对应高速缓存和主存。
SRAM
SRAM只要贮存器坚持通电，里边贮存的数据就能够坚持不变。咱们也把它叫做双安稳态，即便有干扰，当干扰消除的时候，电路就会恢复安稳值。它的每个单元都是由六个晶体管电路来实现。如下图。
DRAM
DRAM芯片中的单元被分红d个超单元，每个超单元都由w个DRAM单元组成。一个d*w的DRAM一共便是存储dw位的信息了。（在这儿我觉得《深化了解计算机原理》的作者翻译有问题，本书许多当地的翻译都让人读的不行顺利，这儿的有三个‘单元’，其实能够彻底还另外一种说法，简略的说便是一个块被分红d个组，每个组都是w个DRAM单元。）超单元被组织成r行c列的长方形阵列，这儿d=rc。每个超单元都有形如（i,j）的地址，这儿i表明行，j表明列。如下图。
如上图，每个RDAM芯片被连接到某个称为存储寄存器的电路，它的2个addr引脚，携带２位的行和列超单元引脚。当要拜访一个超单元时，行地址i称为RAS（Row Access Strobe，行拜访选通脉冲）恳求。列地址j称为CAS（Column Access Strobe，列拜访选通脉冲）恳求。两者共享相同的DRAM地址引脚。详细读取过程如下图。
DRAM每个单元是由一个电容和一个拜访晶体管组成的，每一位存储便是对一个电容充电。使用电容内部存储电荷的多少来代表这一位是0还是1。但是因为电容有漏电的现象，当有干扰存在时，或许会导致电压被扰乱，从而使数据丢掉。所以它需求周期性的充电。因为多种原因导致的漏电，DRAM单元会在10～100毫秒时刻内失去电荷。例如因为电容暴露在阳光下会导致电压的改动，使用这一特性，数码相机和摄像机的传感器本质便是DRAM的单元阵列。下表是SRAM和DRAM的对比。
ROM与闪存(flash memory)
ROM(Read OnlyMemory，只读存储器)有的类型是能够读也能够写，但是因为历史原因，统称为只读存储器。它寄存的数据非常安稳，断电后所存的数据也不会改动，它的结构相对较简略，读出方便，因而常用于存储各种固定程序与数据。寄存在ROM设备中的程序一般称为固件(firmware)。比方咱们计算机的BIOS，便是寄存在ROM中的。
PROM(ProgrammableROM，可编程ROM) 只能被编程一次。PROM的每个存储器单元有一种熔丝，它只能用高电流熔断一次。
EPROM(ErasableProgrammable ROM，可擦写可编程ROM)有一个通明的石英窗口，答应光到达存储单元。紫外线光经过窗口照射进来，EPROM单元就被清楚为0。EEPROM(Electrically Erasable ROM，电子可擦写ROM)类似于EPROM，但是它不需求一个物理上独立的编程设备，因而能够直接在印制电路卡上编程。
3.磁盘
磁盘包括硬盘和软盘，这儿咱们以硬盘为例，硬盘是咱们最长接触到的存储器之一，拆开后它就长下面这个姿态
假如把它的结构图花下来，它便是下面这个姿态的。它是由盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等部分组成的。
下面介绍最重要的几个概念，扇区、磁道、柱面、盘面。
1、盘面
硬盘的盘片一般用铝合金材料做基片，高速硬盘也或许用玻璃做基片。硬盘的每一个盘片都有两个盘面（Side），即上、下盘面，一般每个盘面都会使用，都能够存储数据，成为有用盘片，也有极个别的硬盘盘面数为单数。每一个这样的有用盘面都有一个盘面号，按次序从上至下从“0”开端顺次编号。在硬盘系统中，盘面号又名磁头号，因为每一个有用盘面都有一个对应的读写磁头。硬盘的盘片组在2～14片不等，一般有2～3个盘片，故盘面号（磁头号）为0～3或 0～5。
2、磁道
磁盘在格局化时被划分红许多同心圆，这些同心圆轨迹叫做磁道（Track）。磁道从外向内从0开端次序编号。硬盘的每一个盘面有300～1 024个磁道，新式大容量硬盘每面的磁道数更多。信息以脉冲串的方法记载在这些轨迹中，这些同心圆不是连续记载数据，而是被划分红一段段的圆弧，这些圆弧的角速度相同。因为径向长度不相同，所以，线速度也不相同，外圈的线速度较内圈的线速度大，即相同的转速下，外圈在相同时刻段里，划过的圆弧长度要比内圈划过的圆弧长度大。每段圆弧叫做一个扇区，扇区从“1”开端编号，每个扇区中的数据作为一个单元同时读出或写入。一个规范的3.5寸硬盘盘面一般有几百到几千条磁道。磁道是“看”不见的，仅仅盘面上以特别方法磁化了的一些磁化区，在磁盘格局化时就已规划结束。
3、柱面
一切盘面上的同一磁道构成一个圆柱，一般称做柱面（Cylinder），每个圆柱上的磁头由上而下从“0”开端编号。数据的读/写按柱面进行，即磁头读/写数据时首先在同一柱面内从“0”磁头开端进行操作，顺次向下在同一柱面的不同盘面即磁头上进行操作，只在同一柱面一切的磁头全部读/写结束后磁头才转移到下一柱面（同心圆的再往里的柱面），因为选取磁头只需经过电子切换即可，而选取柱面则必须经过机械切换。电子切换相当快，比在机械上磁头向附近磁道移动快得多，所以，数据的读/写按柱面进行，而不按盘面进行。也便是说，一个磁道写满数据后，就在同一柱面的下一个盘面来写，一个柱面写满后，才移到下一个扇区开端写数据。读数据也依照这种方法进行，这样就提高了硬盘的读/写功率。 一块硬盘驱动器的圆柱数（或每个盘面的磁道数）既取决于每条磁道的宽窄（相同，也与磁头的巨细有关），也取决于定位组织所决议的磁道间步距的巨细。
4、扇区
操作系统以扇区（Sector）方法将信息存储在硬盘上，每个扇区包括512个字节的数据和一些其他信息。一个扇区有两个首要部分：存储数据地点的标识符和存储数据的数据段。
在开始的时候，将每个磁道都是分为数目相同的扇区的，扇区的数目都是由最靠近里边的磁道的扇区数来决议的。为了确保每个磁道具有固定的扇区数，那么越往外，它的数据密度就会越低，造成磁盘空间的浪费。现代大容量磁盘运用了一种称为多区记载的技术，说白了便是使用柱面，把相邻的几个柱面分红一个区，（盘面上的磁道都是一个个同心圆，咱们将这些同心圆分组，相邻的几个同心圆为一组，扩展到柱面，也是这样分。）一个区中的每个柱面中的每条磁道都有相同数量的扇区，这个扇区的数量是由该区中最里边的磁道所包括的扇区数所确认的。
磁盘操作
磁盘用读/写头来读写存储在磁性外表的位，而读写头连接到一个传动臂一端。经过沿着半径轴前后移动这个传动臂，驱动器能够将读/写头定位到盘面上的任何磁道上。这样的机械运动称为寻道。
在传动臂末端的读/写头在磁盘外表高度大约0.1微米处的一层薄薄的气垫上飞翔，速度大约是80km/h。
磁盘以扇区巨细的块来读写数据。对扇区的拜访时刻有三个首要的部分：寻道时刻、旋转时刻和转送时刻。在拜访一个磁盘扇区时，时刻首要花在寻道时刻和旋转时刻，并且寻道时刻和旋转时刻根本持平。
5.闪存（flash）和固态硬盘（SSD）
闪存(flash memory)是一类非易失性存储器，根据EEPROM，能够对块的存储器单元进行擦写和再编程。任何闪存器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以在大多数情况下，在进行写操作实现必须先履行擦除。闪存的存储单元为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。如下图。
Flash咱们分为NOR和NAND，这两者的差异是什么呢？NAND型闪存的擦和写均是根据地道效应，电流穿过浮置栅极与硅底层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电(写数据)或放电(擦除数据)。而NOR型闪存擦除数据仍是根据地道效应(电流从浮置栅极到硅底层)，但在写入数据时则是选用热电子注入方法(电流从浮置栅极到源极)。NOR的读速度比NAND稍快一些。NAND的写入速度比NOR快许多。因为NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。而 大多数写入操作需求先进行擦除操作。所以NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快得多。
参阅资料
《深化了解计算机系统》
blog.csdn.net/hguisu/arti…
计算机系统之存储器系统结构
blog.csdn.net/weixin_4170…
blog.csdn.net/weixin_4359…
blog.csdn.net/iva_brother…
blog.csdn.net/ccz4854/art…
计算机系统结构-cache高速缓存
