计算机存储层次及常用存储简介

计算机存储层次（Memory hierarchy）

存储层次是在计算机体系结构下存储系统层次结构的排列顺序。每一层于下一层相比都拥有 较高的速度 和 较低延迟性 ，以及 较小的容量 （也有少量例外，如AMD早期的Duron CPU）。大部分现今的中央处理器的速度都非常的快。大部分程序工作量需要存储器存取。由于高速缓存的效率和存储器传输位于层次结构中的不同等级，所以实际上会限制处理的速度，导致中央处理器花费大量的时间等待存储器I/O完成工作。

大部分电脑中的存储层次如下四层：

寄存器 ：可能是最快的存取。在32位处理器，每个寄存器就是32位。x86处理器共有16个寄存器。
高速缓存 Cache （L1-L3：SRAM、L4：DRAM）
- 第一级高速缓存（L1）–通常存取只需要几个周期，通常是几十个KB。
- 第二级高速缓存（L2）–比L1约有2到10倍较高延迟性，通常是几百个KB或更多。
- 第三级高速缓存（L3）–比L2更高的延迟性，通常有数MB之大。
- 第四级高速缓存（L4）（不一定有）–CPU外部的DRAM，但速度较主存高。
主存（DRAM） ：存取需要几百个周期，可以大到数十GB。
磁盘存储 ：需要成千上万个周期，容量非常大。

内存层次结构

存储器的种类很多，按其用途可分为主存储器和辅助存储器，主存储器又称内存储器（简称内存），辅助存储器又称外存储器（简称外存）。内存储器最突出的特点是存取速度快，但是容量小、价格贵；外存储器的特点是容量大、价格低，但是存取速度慢。内存储器用于存放那些立即要用的程序和数据；外存储器用于存放暂时不用的程序和数据。内存储器和外存储器之间常常频繁地交换信息。

内存层次结构及其运作方式的描述

内存（memory）

内存在电脑中起着举足轻重的作用。内存一般采用半导体存储单元，包括随机存储器（RAM），只读存储器（ROM），以及高速缓存（CACHE）。

内存可分为 易失性存储器 和 非易失性存储器 两类，前者在掉电后会失去记忆的数据，后者即使在切断电源也可以保持数据。

内存结构分类

RAM（Random Access Memory）

RAM，即Random Access Memory 随机存储内存 。 RAM 是与CPU直接交换数据的内部存储器，也叫主存(内存) 。另外，一些变量，都是放到RAM里的。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。

之所以叫做“随机存取”，是因为相对于早期现行存储媒介（磁带？很久以前的）而言，因为磁带的存取是线性的，存取时间由目前磁带位置和目的位置的距离而定（类似数据结构中的线性表）。需要转动刺头到应有的位置，因此距离越长，转的就越久了，读写时间也越久。而伟大的RAM没有这种限制，存取时间为固定值（类似数组这种下表式访问，下标就是地址），不会因为存储资料在memory中的位置而影响读取时间。

RAM大致可以分为两种：SRAM与DRAM，这两者基本原理上有相同的地方，都是将电荷存储到记忆体内部，由此针对不同的电荷存储0 or 1。

SRAM静态存储器（Static Random Access Memory,SRAM）利用双稳态触发器来保存信息
DRAM动态存储器（Dynamic Random Access Memory）, 利用MOS电容存储电荷来储存信息。因此必须通过不停的给电容充电来维持信息，所以DRAM 的成本、集成度、功耗等明显优于SRAM。

SRAM 和 DRAM 有几点不同：SRAM的结构比较复杂，单位面积的容量少，存取速度很快；DRAM则结构简单，单位面积存储的容量比较多，存取时间相对SRAM慢，同时 DRAM 因为构造比较简单，存储的电荷会随着时间逐渐消失，因此需要定时再充电（Refresh），以保持电容存储的资料。

由图中的SRAM和DRAM构造可以知道， SRAM采用正反三极管+电容（flip-flop）构造存储器 ， DRAM则是采用电容式存储 。因为SRAM和DRAM的种种特性上的不同， SRAM比较适合作为Cache ，配合CPU快速存取使用， DRAM则适合作为主存而使用。

ROM（Read Only Memory）

ROM：只读存储器。在制造ROM的时候，信息（数据或程序）就被存入并永久保存。这些信息只能读出，一般不能写入，即使机器掉电，这些数据也不会丢失。 ROM一般用于存放计算机的基本程序和数据，如BIOS ROM 。ROM所存数据，一般是装入整机前事先写好的，整机工作过程中只能读出，而不像随机存储器那样能快速地、方便地加以改写。ROM所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变，其物理外形一般是双列直插式（DIP）的集成块。

总的来说，ROM是在RAM的缺点下发展而来的，由于RAM掉电会丢数据，所以人们考虑要把一些数据永久存起来，于是有了ROM，只能读不能写（比如计算机BIOS）。后来又发现ROM里的程序有时候需要改一改，于是又发展出可以写入新数据的ROM，如EPROM、EEPROM、Flash等。 虽然已经违背了ROM的本意——只能读不能写，但出于历史原因，总体上还是称为ROM 。

现如今已经不能简单的把一个存储器说成是RAM或ROM，如电脑里的内存条是内存，有易失性，可读可写（RAM的特性）；移动硬盘是外存，有非易失性（ROM的特性），可读可写（RAM的特性）。U盘是外存，有非易失性，可读可写。

目前ROM已经基本采用EEPROM 和 Flash ROM作为存储介质。常用的FLASH存储器主要包括NAND Flash和NOR Flash。它们在内部结构、性能特点和应用领域上有所不同。

NAND Flash：

Nand Flash 中的 Nand的意思是 Not AND（与非门），意思就是该 Flash 的基础单元就是 与非门，如下所示：
- 结构：NAND Flash存储器采用并行结构，将存储单元组织为存储单元阵列，每个存储单元阵列包含多个页，每页包含多个块，每块包含多个扇区。这种结构使得NAND Flash具有较高的存储密度。
- 特点：
  - 高存储密度：NAND Flash的存储密度通常比NOR Flash更高，适用于存储大容量的数据。
  - 快速读取速度：NAND Flash具有较快的读取速度，适用于快速读取大量数据的应用。
  - 擦写耗时较长：NAND Flash的擦写操作需要较长时间，通常以块为单位进行擦除。
  - 适用于存储应用：由于高存储密度和较低的成本，NAND Flash 广泛应用于大容量存储设备，如固态硬盘（SSD）、USB闪存驱动器和存储卡等。
NOR Flash：

Nor Flash 中的 Nor的意思是 Not OR（或非门），意思就是该 Flash 的基础单元就是 或非门，如下所示：
- 结构：NOR Flash存储器采用并行结构，将存储单元组织为存储单元阵列，每个存储单元阵列包含多个块，每个块包含多个扇区。这种结构使得NOR Flash具有较快的读取速度和较低的访问延迟。
- 特点：
  - 快速读取速度：NOR Flash具有较快的读取速度和较低的访问延迟，适用于需要快速随机访问的应用。
  - 擦写操作较快：NOR Flash的擦写操作相对较快，可以按字节或按扇区进行擦除。
  - 存储密度较低：NOR Flash的存储密度相对较低，适用于存储小容量的代码和程序。
  - 适用于代码执行：由于较快的读取速度和随机访问能力，NOR Flash 广泛用于嵌入式系统中存储代码、固件和启动程序等。

Flash ROM（Flash Read-Only Memory）和EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）都是非易失性存储器，但它们在工作原理和应用方面存在一些区别。

擦除和编程方式：
- Flash ROM：Flash ROM的擦除操作是以块为单位进行的，通常需要较长的时间。编程操作可以在单个字节或更小的存储单元上进行。
- EEPROM：EEPROM可以以字节为单位进行擦除和编程。相比之下，EEPROM的擦除和编程操作更加灵活和精细。
存储密度：
- Flash ROM：Flash ROM具有较高的存储密度，可以容纳大量的数据。这使得它在存储大容量程序、固件和数据时非常有用。
- EEPROM：EEPROM的存储密度相对较低，通常适用于存储较小量的数据，如配置信息、用户数据等。
擦除速度：
- Flash ROM：Flash ROM的擦除速度相对较慢，通常以块为单位进行擦除，需要较长的时间。
- EEPROM：EEPROM的擦除速度相对较快，可以以字节为单位进行擦除，因此可以更快地执行擦除操作。
应用领域：
- Flash ROM：Flash ROM广泛应用于固件存储、BIOS存储、固定数据存储等需要大容量和快速访问的应用中。
- EEPROM：EEPROM常用于存储小容量的配置信息、校准数据、用户设置等需要频繁修改和维护的数据。

高速缓存（Cache）

Cache：高速缓冲存储器，也是我们经常遇到的概念，它位于CPU与内存之间，是一个读写速度比内存更快的存储器。 当CPU向内存中写入或读出数据时，这个数据也被存储进高速缓冲存储器中 。 当CPU再次需要这些数据时，CPU就从高速缓冲存储器读取数据，而不是访问较慢的内存 ，当然，如需要的数据在Cache中没有，CPU会再去读取内存中的数据。

Cache 的工作原理

RAM和ROM的区别

一般来说会比较难以理解RAM与ROM和平时所说的运行内存和硬盘容量有什么关系，其实从一般意义上来说是一样的，但从计算机和手机的角度来说又有一些区别：

从电脑来说一般比较好理解，RAM就是我们平时所说的运行内存，它的确是随时可读写的。因为CPU处理的数据都是以运行内存为中介的。断电后信息是不保存的。

那么对于ROM来说，是不是就是硬盘呢？不是说ROM只可以读吗？硬盘却是可以修改的。的确，必须明确一点， RAM与ROM都是内存 ，而 硬盘是外存 ，所以ROM不等于硬盘。计算机中的ROM主要是用来存储一些系统信息，或者启动程序BIOS程序，这些都是非常重要的，只可以读一般不能修改，断电也不会消失。

RAM和ROM相比，两者的最大区别是RAM在断电以后保存在上面的数据会自动消失，而ROM不会自动消失，可以长时间断电保存。

在手机里面，RAM就是跟电脑一样的运行内存一样；而ROM就跟硬盘挂上钩了，手机中的ROM有一部分用来存储系统信息，还有一些装机软件，剩余的大部分容量都是就是拿来作为硬盘用的，可读可写。

外存（secondary storage）/辅存（auxiliary storage）

外存和辅存表示的是同一含义，都是现在计算机系统中用于长期存储数据和文件的存储介质。 外存中的数据需要先从外存加载到内存中，然后才能被CPU读取和处理 。

外存/辅存与内存的区别是很大的，主要有：

访问速度和延迟：
- 内存：内存（主存储器）的访问速度非常快，CPU可以在几个纳秒的时间内读取或写入数据。它具有低延迟和高带宽，适合存储正在执行的程序和临时数据。
- 外存：外存（辅助存储器）的访问速度较慢，通常以毫秒级别的时间来衡量。与内存相比，外存的访问延迟较高，需要更多的时间来读取和写入数据。
成本/容量：
- 内存：内存相对较昂贵，其成本较高。由于内存的高速和性能优势，它是计算机系统中重要的组成部分，但存储容量有限，且成本较高。
- 外存：外存的成本相对较低，比内存更具经济性。外存的存储容量通常比内存大得多，可以容纳大量的数据，适合用于长期存储和数据备份。
持久性：
- 内存：内存是一种易失性存储器，意味着当计算机断电时，内存中的数据将会丢失。内存中的数据需要定期保存到外存或其他非易失性存储介质中，以防止数据丢失。
- 外存：外存是一种非易失性存储器，它可以持久地保存数据。即使在断电情况下，外存中的数据也能够保持不变。

另外需要注意的是，由于单片机是SOC，其内部已经把CPU、存储器、I/O设备集成到了一块小芯片上。单片机的内存包括程序存储器（通常是闪存或EEPROM）和数据存储器（RAM）。程序存储器用于存储单片机的程序代码，而数据存储器用于存储程序执行期间的变量和数据。

磁盘存储

磁盘是由盘片(platter)构成的；
每个盘片如同切西瓜一样被“切”成一块一块的扇面，同时沿着半径的方向被划分成了一组同心圆叫磁道(track)；
每条磁道被扇面切成很多的扇形区域叫做扇区(sector), 扇区是从磁盘读出和写入信息的最小单位，包含相等数量的数据位，通常为512字节;
不同盘片相同半径的磁道所组成的圆柱称为柱面(cylinder)。

hdd_structure

磁盘的容量：磁头数 × 磁道数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数

固态硬盘

固态硬盘(Solid State Disk, SSD)，由一个或多个闪存芯片和闪存翻译层(flash translation layer)组成。

闪存芯片存储内容。
闪存翻译层对逻辑块的请求翻译成对底层物理设备的访问。

SolidStateDiskSSD-1

目前根据密度差异闪存颗粒会主要分为SLC、MLC、TLC、QLC、PLC（未面世）五种类型：

SLC（Single-Level Cell）

又称为单层式储存，即每单元存储可1bit信息（1bit/cell）。一个萝卜一个坑的存储容量，这也意味着采用SLC颗粒的SSD容量注定不会太大，但除了这个“缺憾”之外，SLC的其他方面则要更加优于其他类型的闪存颗粒。

SLC的擦写寿命是5种颗粒中最长的，能够达到约10万次。另外SLC也是五种颗粒类型中读写速度最快、读写数据最精确、质量最好同时造价也是最贵的颗粒，目前基本上只用于企业级高端固态硬盘中，也有极少部分高端消费级SSD在使用。

MLC（Multi-Level Cell）

又称为双层式储存，即每单元存储可2bit信息（2bit/cell）。两个萝卜一个坑的存储容量，只能说比SLC好一点，但成本相对于SLC要大大降低。

但MLC的擦写寿命要比SLC差不少，仅能够达到约1万次。且相较于SLC，MLC的读写速度、质量、精确度都次于SLC，成本也要远高于除SLC以外的其他颗粒，价格昂贵，目前多用于工业存储中，不过随着技术和消费水平的提升也有一些品牌会使用MLC到消费类产品上。

TLC（Trinary-Level Cell）

又称为三层式储存，即每单元存储可3bit信息（3bit/cell）。到此可以看出这五种闪存颗粒每单元可存储的信息是层层递进的，都是在上一个的基础上+1bit信息，容量越来越大。

TLC是目前最常见到的闪存颗粒，应用非常广泛，其擦写寿命能够达到约1000次。虽然在数据上，TLC的读写速度、颗粒质量以及寿命都不及SLC和MLC，但其成本要低得多，如果作为日常使用其实能完全满足普通消费者的需求。目前TLC多用于市面上的中高端SSD中，比较受主流SSD的青睐。

QLC（Quad-Level Cell）

又称为四层式储存，即每单元存储可4bit信息（4bit/cell）。其擦写寿命最短，仅能够达到150次，但存储密度最大、成本也最低，优势还是很明显的。目前主要被低端大容量的SSD使用，能够为大容量的SSD带来更长的使用寿命，足以供给一些消费者日常使用。

PLC（Penta-level cell）

又称为五层式储存，即每单元存储可5bit信息（5bit/cell）。该闪存颗粒目前还没有正式产品发布，但有希望在未来的几年内问世，相信能够为SSD产品带来更大的存储空间和单元存储更低的成本。不过PLC的推广将很大受限于它的速度和寿命，还需进一步了解。

根据上述内容可将闪存颗粒按照数据稳定性、速度以及价格排序为SLC＞MLC＞TLC＞QLC＞PLC，容量则相反SLC＜MLC＜TLC＜QLC＜PLC。就目前来说主流消费级SSD品牌都在使用的是TLC闪存颗粒，虽然速度和寿命上不及使用SLC和MLC颗粒的SSD，但如果搭配上优秀的主控以及高速接口，表现还是不俗的，再加上3D NAND技术让存储单元立体化，让闪存颗粒容量倍增，降低了存储成本也让擦写寿命大大延长，可以说运用了3D NAND技术的3D TLC颗粒实现了性能跃进。

参考文献

必知必会-存储器层次结构 - 知乎
内存层次结构 - 维基百科
内存，RAM，ROM，Cache的区别与联系_memorypageo.rom:orgin=0c00h.length 1000hpaoej🐏_一只青木呀的博客-CSDN博客
6 存储器层次结构
What is Cache Memory? Cache Memory in Computers, Explained
存储器分类 - 简书
图解RAM结构和原理 - 知乎
【嵌入式基础小知识】Nand Flash VS Nor Flash_机器灵魂注入师的博客-CSDN博客
存储颗粒：SLC、MLC、TLC、QLC、PLC有什么区别？-中关村在线