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一、存储器的分类

1. 按存储介质分类

2. 按存取方式分类

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二、存储器的层次结构

在讲存储器的层次结构之前，我们可以思考一下：平时我们考虑存储器的话，会考虑哪些方面特性呢？

• 读写速度，比如读写速度为5400转、7200转等
• 存储容量，比如2T、8G等
• 价格

那么这些因素是怎样影响存储器的层次结构呢？对于存储器，我们肯定希望读写速度越高越好，存储容量越大越好，价格越低越好。

为了量化存储器的性价比，就提出了一个专门的单位：位价，计算公式如下：

综合位价、读写速度这些因素，将存储器的层次结构划分为三个：缓存、主存、辅存，如下图所示。

这里的缓存指的是CPU里面的寄存器以及高速缓存，读写速度最快、位价最高；主存指的是计算机里面的内存，读写速度次于缓存、位价适中；辅存主要是计算机的外部辅助存储设备（比如磁盘、U盘、移动硬盘等），读写速度是最慢的、位价最低。这三者容量大小排序为：缓存<主存<辅存。

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三、CPU、缓存、主存、辅存之间的通信关系

在计算机中，CPU和高速缓存、主存、辅存之间的通信关系如下图所示：

从图中可以看出，CPU与高速缓存是直接通信的，同时，CPU也可以直接与主存通信，而高速缓存与主存之间也可以相互直接通信，这样的层次称为：缓存-主存层次；主存与辅存之间的通信，CPU是不参与的，这个层次称为：主存-辅存层次；

1. 缓存-主存层次

• 利用原理：局部性原理
• 实现方式：在CPU与主存之间增加一层速度快（容量小）的Cache
• 目的：为了解决主存与CPU速度不匹配的问题（主存速度不足，CPU速度很快）

2. 局部性原理

局部性原理是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。如下示意图所示：

从上图中可以看出，假设程序所经常访问的内存是上图的红色阴影区域，那么按照缓存-主存的层次，我们就可以把这段内存按照一定的策略置换至缓存中即可，CPU再用到这部分内存的时候，就可以直接访问缓存获取，而不需要到速度比较慢的内存中获取。因为有这个局部性原理的存在，所以这个缓存组成的层次才得以生效和高效的运行在计算机中。

3. 主存-辅存层次

• 利用原理：局部性原理
• 实现方式：主存之外增加辅助存储器（磁盘、SD卡、U盘等）
• 目的：解决主存容量不足的问题。假设电脑中有一个20G的游戏，但是电脑只有8G的内存，那么这个游戏是怎么运行起来的呢？因为有局部性原理，可以把当前游戏中使用的数据加载到主存中，而对一些不实用的数据放到辅存中去。这就是使用了主存-辅存层次来解决主存容量不足的问题。