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一，存储器

所谓存储器，是指用来存储指令或者数据的部件。发展至今，计算机内部往往包含多种不同容量、不同用途的存储器。

所谓存储容量，指的是存储器拥有的字节数。存储器的存储空间会被分成很多个存储单元，每个存储单元的大小通常为 8 个二进制位（也就是 1 个字节，单位用 B 表示），每个单元都有一个唯一的地址。因此，一个存储器中各存储单元的地址范围为0~存储容量-1。

假设某存储器的存储容量为 64KB，则意味着它有 64 x 1024 = 65536 个存储单元，这些单元的存储地址从 0 到 65535。其中，存储器容量的单位有很多（比如 B、KB、MB 等），后续会给大家做详细讲解。

（一）存储器的分类

计算机中各存储器的分类标准通常有以下 2 种。

1) 根据功能和特性分类

首先，根据 CPU 能否直接访问，可将所有存储器分为内部存储器和外部存储器，CPU 可以直接访问所有的内部存储器，但无法直接访问外部存储器。例如，我们常说的内存条，就是一种内部存储器；而诸如硬盘、U 盘、光盘等，则属于外部存储器。

位于外部存储器中的数据，必须先移动至内部存储器，才能为 CPU 所用。

而根据能否永久地存储数据，又可以将所有存储器细分为以下 2 种类型：

1. 易失性存储器：无法永久地存储数据，一旦突然断电或者关闭计算机，内部存储的数据就会丢失；
2. 非易失性存储器：可以永久地存储数据，即便断电或者关闭计算机，存储的数据也不会丢失。

2) 根据存储容量和所在位置分类

计算机包含的所有存储器中，根据各自存储容量和所在位置的不同，可以将它们分为寄存器、高速缓存、主存储器以及外部存储器这 4 类。

寄存器是计算机中存储容量最小（通常为 4~8 个字节）、读写速率最快的存储器，位于 CPU 内部。寄存器用于临时保存 CPU 运行所需要的数据或者当前 CPU 正在处理的指令。更重要的是，所有需 CPU 处理的数据，都必须经过寄存器。

高速缓存全称高速缓冲存储器，是一种存储容量较小、读写效率介于寄存器和主存储器之间的存储器，因此它主要用于协调高速的 CPU 和读写效率低的主存储器之间的数据传输问题。高速缓存可以保存 CPU 经常使用的数据和指令，确保 CPU 使用这些数据时可以直接从高速缓存中找到，而无需再访问主存储器，从而提高 CPU 处理数据的效率。

主存储器，简称主存，它有 2 种类型，即 RAM 类型主存和 ROM 类型主存。根据实际场景的需要，不同用途的计算机可以选择配备 RAM 或者 ROM 主存，甚至两种都用。比如，我们现在使用的笔记本电脑中，内存条其实就是集成多个 RAM 存储芯片的电路板；计算机内部还含有多个 ROM 芯片，用于存储 BIOS 系统、某些硬件的驱动程序等等。

外部存储器，支持永久性地存储数据，同时还支持用户对其内部的数据做修改、删除等操作。注意，CPU 无法直接访问外部存储器，其内部的数据需先传输到 RAM 主存中，CPU 才能访问它。

下表给大家梳理了计算机中各个类别的存储器。

计算机各类别的存储器

二，寄存器

在上面中提到，计算机中的内部存储器主要包含寄存器、高速缓存以及主存储器，带领大家系统地了解一下什么是寄存器。

所谓内部存储器，是指 CPU 可以直接访问的存储器。换句话说，位于内部存储器中的数据，CPU 可以直接使用。

寄存器是计算机中尺寸最小、存储容量也最小（通常 4~8 个字节）、但读写效率最高的存储器，位于 CPU 内部。

寄存器无法永久性地存储数据（属于易失性存储器），它的主要工作是暂时存储当前 CPU 正在处理的指令以及 CPU 将要使用的数据或者指令。

在 CPU 处理数据的过程中，寄存器扮演着非常重要的角色。原因很简单，无论什么类型的数据，都必须经由寄存器才能得到 CPU 的处理。因此，CPU 内部拥有寄存器的数量以及各寄存器存储容量的大小，一定程序上会直接影响 CPU 的运行效率。

（一）寄存器的类别

CPU 的内部往往包含多个寄存器，根据不同的任务分工，可以将它们细分为多个类别，表 1 罗列了常见的一些寄存器以及它们各自的用途。

寄存器的类别

三，高速缓冲存储器

高速缓冲存储器，简称高速缓存或者 Cache，是一种尺寸较小、读写效率介于寄存器和 RAM 型主存储器之间的易失性存储器（即无法永久性存储数据）。目前，计算机中的高速缓存通常集成在 CPU 内部，但也有将高速缓存置于 CPU 外部的情况。

在上面中提到，CPU 可直接访问的计算机存储部件主要有 3 种，分别为寄存器、高速缓存和主存储器，高速缓存的读写效率不如寄存器，但比主存储器高。

高速缓存常用于临时保存 CPU 经常使用的数据和指令，每当 CPU 需要使用这部分数据时，它可以直接从高速存储中获取，而无需访问读取效率更低的主存储器。并且，存储于高速缓存中的数据只能由 CPU 访问。因此，高速缓存扮演着 CPU 和 主存储器之间的缓冲区的角色，从而提高 CPU 处理数据的效率，进而提高计算机的整体性能。

（一）高速缓存的类别

根据 CPU 的访问顺序，计算机中的高速缓存又可细分为一级高速缓存、二级高速缓存和三级高速缓存。

也就是说，当 CPU 要读取数据时，首先会去一级缓存中查找，没有找到的话会再去二级缓存中查找，如果还没有找到，则去三级缓存或者主存储器中查找。通常，每级缓存的命中率大概都在 80% 左右。

所谓缓存命中率，是指 CPU 要查找的数据或指令恰好位于高速缓存中的概率。

1) 一级高速缓存

又称为 L1 高速缓存，位于 CPU 内核附近，并且如果 CPU 有 4 个内核，则每个内核都配有自己的一级高速缓存。

相比其他类型的高速缓存，一级高速缓存最贴近 CPU，实现它的技术难度和制造成本是最高的，它的读取效率最高，但存储容器最小（通常在 2KB~64KB 之间）。

一级高速缓存还可分为 2 种类型，分别为指令高速缓存和数据高速缓存。显然，指令高速缓存主要用来存储 CPU 经常使用的指令，而数据高速缓主要用来存储 CPU 经常使用的数据。

2) 二级高速缓存

又称为 L2 高速缓存，最初和 CPU 一块集成在电路板或主板上，如今通常集成在 CPU 内部。

和 L1 高速缓存一样，CPU 所有的内核都可以单独拥有自己的 L2 高速缓存，当然也可以共享一个 L2 高速缓存。但和前者相比，L2 高速缓存的读取效率较低，但存储容量更大，通常在 256KB ~ 512 KB 之间。

3) 三级高速存储

又称为 L3 高速缓存，通常集成在 CPU 内部，但也有一些老旧计算机将其放置在 CPU 外部。

L3 高速缓存的读取效率虽然不及 L1、L2 高速缓存，但比 RAM 主存储器的效率高。此外，L3 的存储容量比 L1、L2 高速缓存都大，通常在 1MB ~ 8MB 之间。

对于拥有 L3 高速缓存的计算机，当 CPU 在 L2 高速缓存中找不到需要的数据或指令时，它会前往 L3 高速缓存中查找。因此，L3 高速缓存的存在可以提高高速缓存的命中率，进一步提高 CPU 的工作效率。

（二）高速缓存的工作流程

当 CPU 需要某些数据时，它首先会去 L1 高速缓存中查找；如果未命中，则再去 L2 高速缓存中查找；如果还未命中，再去 L3 高速缓存中查找。

如果所有级别的高速缓存都未命中，CPU 会到 RAM 主存储器（也就是内存）中查找。如果 RAM 主存储器也没有，则尝试从外部存储器中获取这部分数据（注意，CPU 无法直接访问外部存储器）。

显然，当计算机第一次启动，或者某应用程序被第一次打开时，相关数据是不可能位于高速缓存或者 RAM 主存储器中的。但是，当我们后续再打开此应用程序时，所需数据就可能存在高速缓存或者 RAM 主存储器中。

四，主存储器

我们知道，CPU 能够直接访问的计算机存储器有 3 种，分别为寄存器、高速缓冲存储器以及主存储器。前面章节已经分别对寄存器和高速缓冲存储器做了详细的介绍，本节继续讲解计算机中的主存储器。

主存储器（简称主存）是组成计算机的重要部件之一，主要用于存储当前计算机运行所需要使用的数据和指令。

主存储器通常采用半导体材料制作而成，因此读/写效率不如寄存器和高速缓存，但比外部存储器（例如硬盘）快。

我们知道，寄存器和高速缓存都只能临时存储数据，一旦关闭计算机或者断电，它们存储的数据就会丢失。而计算机中的主存储器有 2 种，即随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM），前者也只能临时存储数据，后者则具备永久存储数据的能力。

（一）RAM（随机存取存储器）

RAM，Random Access Memory 的缩写，中文可译为随机存取存储器，它最大的特点是只能临时性地存储数据或指令，一旦计算机关闭或者意外断电，RAM 存储的数据将全部丢失，它通常以一个单独的存储芯片，或者几个存储芯片集成在一个电路板上（例如内存条）的形式，安装在计算机的主板上。

计算机中的内存条就是典型的 RAM 类型存储器，基于 RAM 无法永久存储数据的这一特性，它又被归为“易失性存储器”一类。

因此，对于处在关闭状态的计算机来说，内部的 RAM 不会存储任何数据。当您按下计算机电源打开计算机时，那些位于外部存储器中、当前计算机运行所需要的数据或指令，就会被拷贝到 RAM 中。

对于个人计算机来说，我们平常所说的计算机内存，指的仅是内存条的容量（并非所有内部存储器容量的加和），而 RAM 习惯上指代的就是计算机内存。

RAM 属于计算机的内部存储器，即 CPU 可以直接访问并使用 RAM 的存储空间，比如将一些数据、指令或者运行结果存储到 RAM 里。而对于存储的数据，RAM 不仅允许计算机读取，还支持计算机对数据做修改或者写入新的数据。

从另一个角度看，RAM 还是一个易失性存储器，它无法永久地存储数据或指令。当您启动计算机（或者打开某一个应用程序）后，原本位于外部存储器的操作系统（或者应用程序）会加载到 RAM 中，CPU 会利用这些数据执行任务，而一旦计算机关闭或者突然断电，位于 RAM 的数据就会全部丢失。

将数据由外部存储器加载到 RAM 中，可以大大提高计算机的整体性能。一方面，RAM 的读写效率本身就比外部存储器（如硬盘、U盘、光盘等）高；另一方面， CPU 是无法直接访问外部存储器的，如果要使用其中的数据，则必须先拷贝到 RAM 中。

如果将 RAM 中存储的数据看做是我们的短期记忆，那么外部存储器中的数据就可以看作是我们的长期记忆。短期记忆仅能存留较短的时间，而长期记忆可以长期保留，必要时我们还可以利用长期记忆更新短期记忆。计算机使用 RAM 的过程也是如此，当 RAM 被填满时，计算机会用从外部存储器读取到的新数据覆盖掉 RAM 中不紧要的旧数据。

由此不难理解，RAM 的数量和存储容量会直接影响计算机的性能。也就是说，如果计算机没有足够的 RAM 存储空间来支撑它运行操作系统和应用程序，那么计算机的性能肯定会下降；反之，计算机可用的 RAM 空间越多，它的运行效率就越高。

① RAM的类型

根据实现存储机制的不同，RAM 又分为 SRAM 和 DRAM 两类。值得一提得是，这两种 RAM 都属于易失性存储器，当计算机关闭时，它们存储的数据都会全部丢失。

1) SRAM

SRAM 全称 Static Random-Access Memory，中文译为静态随机存取存储器。所谓“静态”，即只要保持通电（计算机处于开启状态），SRAM 就可以保证每个比特位的数值（0 或者 1）不发生变化，从而一直存储这些数据。

SRAM 主要由晶体管构成，SRAM 中的每 1 个比特位都通常要用 6 个 CMOS 晶体管（再配以其它一些零件，但没有电容器）组合实现。这样的六晶体管配置，使得 SRAM 具备以下的特点：

和 DRAM 相比，SRAM 存储 1 比特位所需的部件更多，因此它的体积更大。和具备等量存储空间的 DRAM 相比，SRAM 需要占用更大的电路板空间；而同体积的 DRAM 和 SRAM 相比，SRAM 提供的内存空间也就更少。
同样和 DRAM 比，SRAM 读写效率更高，因为 SRAM 支持立即对每个比特位做读、写操作，而无需等待电容器充满电或者完全释放后再做对应的操作。同时，CPU 访问 SRAM 的时间更快（可以低至 10 纳秒），而且两次访问操作可以连续执行，中间不需要暂停。

基于这样的特性，SRAM 通常用来做计算机的寄存器、高速缓存以及显卡上的帧缓存区。

2) DRAM

DRAM，全称 Dynamic Random Access Memory，中文译为动态随机存取存储器。

该存储器本质是一个集成电路，内部包含数百万个尺寸非常小的晶体管和电容器。在电路板上，每个晶体管都和一个电容器对齐摆放，整体构成 1 个比特位，其中电容器充满电表示存储 1，无电表示存储 0；晶体管则充当开关的角色，它允许电路板读取或者修改当前电容器的状态。

DRAM 这种组织结构存在的最大问题是，即便晶体管处于关闭状态，它也会存在漏电的现象，从而导致相连电容器中的电量减少，存储的数据也相继丢失。因此，DRAM 必须定时刷新各电容器中的电量，才能保证存储的数据不会丢失，这也是它称为“动态 RAM”的原因。

电容器的刷新，通常由专门的刷新电路完成，该电路每秒会对电容器进行数百次的刷新。

读者可以将构成 DRAM 的电容器视为一个能存储电量的盒子，充满电表示存储 1，空盒子表示存储 0。盒子最大的缺点就是会漏电，往往只需几毫秒，盒子中的电就会全部漏光。因此要想使 DRAM 正常工作，CPU 或者存储控制器必须在电容器放完电之前再将其充满电，具体的实现方法是：由 CPU 或者存储控制器先读取 DRAM 中存储的数据，然后再将数据写回到 DRAM 中，整个过程每秒会自动持续数千次。

相比 SRAM，DRAM 具有以下的优点和不足：

• 相比 SRAM 的六晶体管配置，DRAM 只需“1 个晶体管+1 个电容器”，因此组成结构更加简单。这也就意味着，同体积的 SRAM 和 DRAM，DRAM 拥有更大的存储容量；
• CPU 访问 DRAM 的效率不如 SRAM，访问一次大约需要 60 纳秒；
• 由于 DRAM 必须定义进行刷新，因此耗电量更多。

为了方便读者更好地对比 SRAM 和 DRAM，下表对它们之间的区别做了一个简单的总结。

SRAM和DRAM的对比

（二）ROM（只读存储器）

ROM，Read-Only Memory 的缩写，中文可译为只读存储器。所谓“只读”，即 CPU 只能读取存储在 ROM 中的数据或指令，无法对存储的数据做修改，更无法写入新的数据。

和 RAM 正好相反，ROM 属于非易失性存储器，即该类存储器支持永久性地存储数据或指令，即便计算机关机或者意外断电，ROM 存储的数据也不会丢失。

为了满足实际场景的需要，ROM 还可以细分为很多类型，例如 MROM、PROM、EPROM、EEPROM 等。

ROM 的内部含有一种特殊的电子熔丝元件（可以简单的理解为保险丝或者熔断器），当制作 ROM 时，制作商会将设计人员指定的信息以编程的方式嵌入到 ROM 中，即便计算机关闭或者突然断电，写入的数据也不会丢失。因此，ROM 不但是一种可编程逻辑部件（简称 PLD），还是一种非易失性存储器。

【扩展】：电熔丝编程的过程，其实就是在电熔丝的两端施加不同电位，使直流电通过电熔丝进而将电熔丝熔断(切割)的过程。现有的电熔丝都是以金属的电迁移现象为原理实现的，它们都具有这样的特点：如果一次编程未能将电熔丝切割，那么金属材质的电熔丝的电阻将会显著增大，在其后编程时再施加以往的编程电流已无法达到金属电迁移的要求，因而无法进行二次编程或多次编程。

ROM 的应用很广泛，例如给 90 后童年带来欢乐的游戏卡带（如下图所示），它使用 ROM 存储数据，这些数据可以使计算机运行很多游戏。

除此之外，个人计算机、智能手机、平板电脑、电视的内部都用到了 ROM。以个人计算机为例，当我们按下启动键后，操作系统桌面并不会立即显现在屏幕上，而是需要等待一段时间。原因很简单，计算机启动时，会首先加载位于 ROM 中的 BIOS 系统，该系统会对 CPU、内存、硬盘等硬件状态进行检查，待确定没有问题之后，计算机会相继启动屏幕（显示器）、硬盘等，并将操作系统加载到 RAM 中，最终启动计算机。

ROM 还经常用于存储某些硬件（如键盘、硬盘、显卡）的驱动程序，以使该硬件可以成功和其他硬件进行通信。

① ROM的类型

在 ROM 的基础上，为满足实际场景的需要，后续衍生出了很多具备不同特性的 ROM。

如下表所示，给大家罗列了 5 种常用的只读存储器，以及它们各自的特性和应用场景。

ROM类型

五，外存储器

计算机中除了内部存储器，还有一些可供利用的存储器，这些存储器有的内嵌在计算机内部，有的则通过导线和计算机相连。这类存储器统称为外部存储器（简称外存储器或者外存）。

外存储器拥有一个共同的特性，即它们都属于非易失性存储器。也就是说，即便计算机关闭或者突然断电，外存储器中存储的数据也不会丢失。

外存储器允许用户通过输入或输出操作间接访问存储的数据，但需要注意的是，CPU 是无法直接访问外存储器的，只有将外存储器中的数据拷贝到内部存储器，才能为 CPU 所用。

接下来，给大家列举了一些常用的计算机外存储器。

（一）硬盘

1) 机械硬盘

作为外存储器的一种，机械硬盘（后续简称硬盘）支持永久地存储数据。所以从另一个角度讲，硬盘又是一种非易失性存储器。

注意，我们通常所说的硬盘驱动器，指的就是硬盘。所谓硬盘驱动器（用 HDD 表示），是计算机中控制硬盘寻址以及存取数据的装置。只有借助硬盘驱动器，计算机才能将数据存储到硬盘中。尽管硬盘驱动器和硬盘是两个概念，但由于两者通常封装在一起使用，我们通常认为它们表达的是同一个意思。

硬盘通常位于计算机主板上的硬盘驱动器内，其内部往往封装有多个覆有铁磁性材料的碟片（又称磁盘）。当硬盘工作时，磁盘会旋转，通过在磁盘上移动磁头，可以将指定数据写入硬盘，也可以读取硬盘中已存储的数据。

计算机硬盘通常用于存储操作系统、已安装的应用程序以及一些用户文件，包括文档、图片、音乐、视频等。

2) 固态硬盘

固态硬盘（简称 SSD）也属于非易失性存储器，即此类硬盘也支持永久性地存储数据。

和机械硬盘不同，固态硬盘内部没有磁头和旋转的磁盘，它主要由多个固态电子存储芯片（例如 FLASH 闪存芯片）组合而成。相比前者，固态硬盘具有读写效率更高、运行无噪音、功耗更低等优点。

随着制作固态硬盘成本的不断下降，它已经替代机械硬盘，逐渐成为了台式机和笔记本电脑中的标准硬盘。不仅如此，固态硬盘还应用在了不需要大量存储的平板电脑等平台。

（二）U盘

U 盘又称为 USB 闪存盘，也属于外存储器，它通过计算机主板预留的 USB 接口和计算机相连。

如图所示，U 盘内部也没有类似可旋转磁盘的可活动的部件，在其塑料或铝制外壳内部，主要包含一个嵌有存储芯片的集成电路。因此，U 盘的存储容量通常不是很大（2 GB~128GB）。

U 盘可以永久地存储数据，并且支持用户对内部数据做修改甚至删除，它常用于在多台计算机之间传输数据。例如，您可以将文档、图片、音频以及视频等资源存储到 U 盘中，必要时可以查看甚至修改它们，您还可以将它们传输到其他的计算机上。

此外，U 盘是一种即插即用的存储设备，它不需要借助任何额外的驱动器或者软件就可以使用。

（三）SD卡

SD 存储卡（简称 SD 卡）是一种体积小，支持带电插拔的外存储器，广泛应用在便携式设备和移动设备上，例如手机、数码相机、MP3播放器等。

所谓带电插拔，也称热插拔，是指在机器运行中，SD 卡就可以插入到对应的位置与机器相连，同样可以直接将 SD 卡从机器中拔出，而无需先关闭机器。

SD 卡内部由很多存储芯片构成，受到不同制造工艺的影响，不同 SD 卡的读写效率、存储容量都各不相同，甚至尺寸也不相同。而根据 SD 卡不同的尺寸，可以细分为标准型 SD 卡、迷你型 SD 卡以及微型 SD 卡这 3 种类型。

（四）光盘

光盘（简称 CD）是一种由聚碳酸酯塑料制成、外形呈圆形状（类似机械硬盘内部的磁盘）的便携式存储设备。

光盘是飞利浦和索尼与 1982 年共同研发的。1982 年 8 月 17 日，世界上第一张 CD 诞生在德国的飞利浦工厂。

早期的光盘，主要用于录音的存储和播放，后来广泛应用于各种场景，例如存储文档、音频、视频以及其他数据。

（五）DVD

DVD 早期是“Digital Video Disc”的缩写，被译为高密度数字视频光盘，后来则被称为“Digital Versatile Disc”，可译为数字通用光盘或者数字多功能光盘。

注意，虽然 DVD 具有和 CD 相同的大小和外形，但它的存储容量远大于后者。因此，DVD 广泛用于存储电影或者应用程序。

DVD 还可以细分为 DVD-ROM、DVD-R 和 DVD-RW 这 3 种类型，每种 DVD 都有不同的特性和应用场景，但由于不是本节重点，这里不再对它们做详细的介绍。

六，存储单位

存储单位用于衡量数据量的多少，常用于表示某一个存储器最多可以存储多少数据，即该存储器的存储容量。比如，某一 U 盘的存储容量为 8GB，其中 GB 就是一种存储单位。

实际场景中，常用的存储单位如下表所示：

数据的存储单位

结合上表，那么 5 KB 可以存储多少个二进制数呢？很简单，一个二进制数需要用 1 bit 来存储，5 KB 包含5 * 1024 * 8个比特位，最终结果为 40960 bit，因此 5KB 可以存储 40960 个二进制数。