计算机存储器分级

news2025/2/27 8:17:14

从需求上讲，我们希望存储器速度快、体积小、能耗低、散热好、断电数据不丢失。但在现实中，我们往往无法把所有需求都实现。

首先来了解一下RAM和ROM的区别：

RAM（Random Access Memory）也叫随机存取存储器，RAM工作时可以随时从任何一个指定的地址写入或读出信息，但是掉电后存储的数据会丢失，通常用来存储一些临时数据，如程序运行过程中的中间数据，局部变量。主要分为SRAM和DRAM，计算机中的Cache用的是SRAM，内存用的是DRAM，SRAM相较于DRAM成本高，读取速度快。

ROM（Read-Only Memory）是一种只读存储器，最初的ROM确实是只能读不能写，现在常用的ROM既可以读也可以写，ROM的叫法也一直沿用了下来。ROM用于存储固定的程序指令和数据，如启动程序，固件（设备驱动）等。ROM中的数据在计算机断电时不会丢失，因此被称为非易失性存储器，目前比较常用的一种ROM是EEPROM（电可擦除可编程只读存储器），可以通过电压脉冲来擦除和编程数据，但是擦写次数也是有限的，

Flash 存储器（FLASH EEPROM）又称闪存存储器。它是EEPROM的一种。它结合了ROM和RAM的长处。不仅具有读写功能，断电后数据也不会丢失，读写速度也较快。它和EEPROM的最大区别是，FLASH按扇区（block）操作，而EEPROM按照字节操作。成本也比EEPROM低，硬盘，U盘，SD卡等存储设备都是flash。

因为不能用一块存储器来解决所有需要，于是就把需求分级，根据数据的使用频率使用不同的存储器：使用频率高的数据应该具有较快的读写速度，需要使用较贵的材料，距离CPU越近越好，使用频率不高的数据读写速度可以低一些，成本也相对较低，距离CPU也更远一些。

通常把存储器分为这个几个等级：寄存器，Cache，内存，硬盘。

寄存器

寄存器在CPU之内，紧挨着 CPU 的控制单元和逻辑计算单元，它所使用的材料速度也是最快的。因为，存储器的速度越快、能耗越高、产热越大，而且花费也是最贵的，因此其数量不能很多。寄存器的数量通常在几十到几百之间，每个寄存器可以用来存储一定字节（byte）的数据。比如：

32 位 CPU 中大多数寄存器可以存储 4 个字节；
64 位 CPU 中大多数寄存器可以存储 8 个字节。

Cache

Cache表示高速缓存，读写速度仅次于寄存器，分为L1-Cache，L2-Cache和L3-Cache，均位于CPU内部，L1-Cache用于存储常用的数据和指令，分为数据缓存（DCache）和指令缓存（ICache），数据缓存存储处理器核心正在处理的数据，而指令缓存则存储处理器正在执行的指令，成本也较高，大小在几十到几百kb不等，L2-Cache用于存储更多的数据和指令，以便在 L1 缓存未命中时提供更多的备份，速度比L1-Cache慢，但是成本也较低，L3-Cache是位于处理器核心之间的共享缓存，多个处理器核心可以共享相同的L3-Cache，可以减少核心之间的数据传输延时，Cache使用的材料一般是SRAM（静态随机存取存储器），具有较高的速度和稳定性，成本也较高。

内存

内存的主要材料DRAM，因为它的位置距离 CPU 有一段距离，所以需要用总线和 CPU 连接。因为内存有了独立的空间，所以体积更大，造价也比上面提到的存储器低得多。当CPU 需要内存中某个数据的时候，如果寄存器中有这个数据，我们可以直接使用；如果寄存器中没有这个数据，我们就要先查询 L1 缓存；L1 中没有，再查询 L2 缓存；L2 中没有再查询 L3 缓存；L3 中没有，再去内存中拿。