第三章 01存储系统基本概念（王道）

一、存储器的层次结构

1.1 现代计算机结构

• 核心部件：包含运算器、控制器（合称CPU）、主存储器、输入/输出设备
• 主机组成：CPU和主存储器构成计算机主机

1.2 存储器的层次化结构

• 层级规律：越靠近CPU的存储器速度越快、容量越小、单位价格越高
• 典型层级：寄存器→Cache→主存→辅存→外存，形成完整存储体系

主存与辅存的介绍及数据交互

• 主存特性：以华为手机为例，8GB内存即主存，读写速度较快但容量有限
• 辅存特性：128GB机身存储属于辅存，容量大但速度慢（如微信启动时需3秒加载）
• 交互限制：CPU不能直接访问辅存数据，必须先将程序调入主存（如微信地球界面加载过程）

Cache的作用与数据交互

• 速度缓冲：解决主存与CPU速度不匹配问题（如视频聊天代码缓存）
• 工作示例：高频访问数据从主存复制到Cache（如i5处理器L1 Cache达988GB/s）
• 数据同步：Cache修改后会写回主存，由硬件自动完成

辅存与外存的区别

• 教材差异：
  • 狭义区分：内置磁盘为辅存，U盘/光盘为外存
  • 广义统称：所有二级存储都可称辅存或外存

主存与辅存、Cache之间的数据交换

• 虚拟存储：主存-辅存交换由OS管理（页面置换算法），扩展可用内存空间
• 透明缓存：主存-Cache交换由硬件自动完成，对程序员不可见
• 性能平衡：前者解决容量问题，后者解决速度问题

1.3 各层存储器的速度与价格

1）内存（主存）

• 典型参数：DDR4内存读写速度约40GB/s（如三星8GB内存条）
• 价格基准：8GB内存条价格约￥259，速度与容量成反比

2）Cache层

• 分层设计：i5处理器含L1-L3 Cache（12MB总容量）
• 速度梯度：L1达988GB/s，L3仍有208GB/s，远超主存速度
• 成本制约：虽性能优越但容量受限（L1仅1ns延迟）

3）机械硬盘（辅存）

• 实际速度：标称SATA3 6Gb/s，实际仅100MB/s左右
• 容量价格：1TB机械硬盘￥299，容量/价比达3.3GB/元

4）外存（如蓝光光盘）

• 极端对比：10片25GB蓝光光盘仅￥45，但速度最低
• 归档特性：适合冷数据存储，访问速度显著慢于辅存

5）固态硬盘

• 性能飞跃：SATA SSD达550MB/s，NVMe SSD可达4GB/s
• 启动优化：系统装在SSD时开机更快（数据加载速度提升）
• 价格趋势：500GB SSD约￥549，单位价格持续下降

二、存储器的分类

2.1 按层次结构

• 三层结构: 重点关注高速缓存(Cache)、主存(内存)和辅存(外存)三层结构
• 访问特性: Cache和主存可直接被CPU读写，辅存数据需调入主存后才能被CPU访问
• 性能对比: 从Cache到辅存，速度由快到慢，容量由小到大，价格由高到低

2.2 按存储介质

• 半导体存储器
  • 实现方式: 使用半导体元器件存储二进制数据
  • 典型代表: 主存和Cache都采用这种实现方式
  • 性能特点: 读写速度通常较快

• 磁表面存储器
  • 实现方式: 使用磁性材料存储信息
  • 典型代表: 磁盘、磁带等，包括早期的软盘和机械硬盘
  • 应用场景: 机械硬盘(磁盘)是常见的辅助存储设备

• 光存储器
  • 实现方式: 使用光介质存储信息
  • 典型代表: DVD、VCD等光盘
  • 应用特点: 主要用于只读数据的长期存储

2.3 按存取方式

• 随机存取存储器
  • 定义(RAM): 读写任何存储单元所需时间相同，与物理位置无关
  • 典型代表: 内存条
  • 特点: 访问速度快，适合频繁读写操作
• 顺序存取的存储器
  • 定义(SAM): 读写时间取决于存储单元的物理位置
  • 典型代表: 磁带(如复读机使用的磁带)
  • 工作原理: 需要等待存储介质转动到读写头位置才能访问
• 直接存取的存储器
  • 定义(DAM): 兼具随机和顺序存取特性
  • 典型代表: 机械硬盘(磁盘)
  • 工作原理: 磁头先移动到目标区域(随机特性)，再等待磁盘旋转到目标位置(顺序特性)
  • 性能特点: 速度介于RAM和SAM之间
• 相连存储器
  • 定义(CAM): 按内容访问而非地址访问
  • 典型代表: 快表(TLB)
  • 访问方式: 通过数据内容检索存储位置

前三种按地址访问，相连存储器按内容访问

2.4 按信息的可更改性

读写存储器

• 特点: 可读可写

• 典型代表: 磁盘、内存、Cache

只读存储器

• 特点(ROM): 通常只能读不能写

• 典型应用: 音乐CD(CD-ROM)、电影蓝光光碟、BIOS芯片

现代发展: 部分ROM可通过特殊手段擦除重写

2.5 按信息的可保存性

三、存储器的性能指标

1）存储容量

• 核心要素：由MAR（存储地址寄存器）和MDR（数据寄存器）共同决定
• 实际案例：三星内存条示例中，8GB容量对应8×8=64Gb（注意单位换算）

2）单位成本

• 计算要点：需注意存储容量单位的统一换算（1Byte=8bit）
• 实例解析：259元÷64Gb≈4.046元/Gb，即每个比特位的成本
• 经济意义：反映存储器性价比的核心参数

3）存储速度

• 时间构成：
  • 存取时间(Ta)：单次读写操作所需时间（含读出/写入时间）
  • 恢复时间：读写操作后必需的间隔时间
  • 存取周期(Tm)：Ta+恢复时间，决定连续操作的最小间隔
  • 关键区别：存取时间≠存取周期，连续操作受Tm限制

4）带宽计算：主存带宽=存储字长/Tm，单位可为字/秒、B/s或b/s

四、知识回顾

• 层次结构：
  • 高速层：Cache（解决速度匹配问题，硬件自动管理）
  • 主存层：直接与CPU交互（RAM）
  • 辅存层：需调入主存使用（实现虚拟存储系统）
• 分类维度：
  • 存取方式：随机存取(RAM)、顺序存取(磁带)、直接存取(磁盘)、相联存取(快表)
  • 信息特性：易失性(内存/Cache) vs 非易失性(磁盘/光盘)
  • 读写特性：破坏性读出(DRAM) vs 非破坏性读出(SRAM/磁盘)
• 性能要点：存储周期包含存取时间和恢复时间，该区别是重要考点