存储系统 – 自学教程

本课目标

理解存储器在计算机中的作用，掌握存储器的层次结构，了解主存、高速缓存、辅助存储之间的关系；熟悉内存扩展、地址译码、存储器带宽等基本概念，为后续 CPU 与内存交互、流水线、虚拟内存等内容打下基础。

3.1 存储器的作用

存储器是计算机中用来保存程序、数据和中间运算结果的部件。

CPU 运算速度很快，但它不能长期保存大量数据。程序运行时，指令和数据需要先存放在存储器中，CPU 再按需要取出处理。

可以把存储器理解为计算机的“数据仓库”：

寄存器：CPU 内部，速度最快，容量最小；
高速缓存 Cache：介于 CPU 与主存之间，减少 CPU 等待；
主存 Memory：程序运行时的主要存放区域；
辅助存储 Secondary Storage：硬盘、SSD 等，用于长期保存。

存储器层次越靠近 CPU，速度越快、成本越高、容量越小；越靠近外围，速度越慢、成本越低、容量越大。

3.2 存储器层次结构

现代计算机通常采用存储器层次结构 Memory Hierarchy，在速度、容量和成本之间取得平衡。

从上到下大致为：

CPU 寄存器 CPU Registers
        ↓
高速缓存 Cache
        ↓
主存 Main Memory / RAM
        ↓
辅助存储 Secondary Storage

各层之间的关系：

上层是下层的缓存：上层保存下层中经常访问的部分数据；
下层是上层的后备：上层没有所需数据时，需要从下层调入；
越上层速度越快：CPU 寄存器最快，辅助存储最慢；
越上层容量越小：寄存器容量很小，主存较大，硬盘/SSD 更大。

层次结构带来的问题

如果 CPU 访问的数据不在上层存储器中，就需要向下层查找，这会带来额外延迟。

常见概念：

命中 Hit：CPU 在当前层找到所需数据；
缺失 Miss：当前层没有找到，需要从下层调入；
命中率 Hit Rate：命中次数占总访问次数的比例；
平均访问时间 Average Access Time：综合考虑命中时间和缺失损失后的平均速度。

存储器设计的目标并不是让每一层都最快，而是让 CPU 尽可能多地访问上层，减少慢速存储的频率。

3.3 主存：RAM 与 ROM

主存通常指 CPU 能直接访问的内存，主要包括 RAM 和 ROM。

RAM：随机存取存储器

RAM 是 CPU 运行程序时主要使用的内存。

特点：

可以随机读写；
速度较快；
断电后数据会丢失，属于易失性存储器 Volatile Memory。

RAM 又分为两类：

SRAM 静态 RAM：速度快，不需要刷新，常用作 Cache；
DRAM 动态 RAM：容量较大，需要定期刷新，常用作主存。

ROM：只读存储器

ROM 中的内容一般在出厂时写入，计算机运行时主要读取。

特点：

断电后数据不丢失；
正常工作时以读取为主；
常用于保存启动程序、固件或底层配置信息。

注意：现代计算机中“ROM”并不一定完全不可改写，例如 Flash ROM 可以在特定条件下更新，但它仍然属于非易失性存储。

3.4 内存容量与地址线

内存容量由地址空间决定。

如果地址总线有 n 位，那么可寻址单元数为：

2ⁿ 个存储单元

例如：

10 位地址线：2¹⁰ = 1024 个单元；
20 位地址线：2²⁰ = 1M 个单元；
32 位地址线：理论上可访问 2³² 个单元。

实际内存容量还要受内存芯片数量、字长、地址译码方式等因素影响。

地址译码

CPU 访问内存时，先把地址发送到地址总线，内存中的译码电路根据地址选中对应存储单元。

地址译码方式主要有：

全译码：所有地址线都参与译码，地址空间连续；
部分译码：部分地址线参与译码，可能出现地址重叠；
线选法：用高位地址线直接选择芯片，适合小规模系统。

3.5 存储器带宽

存储器带宽表示单位时间内存储器能够传输的数据量，常用单位如：

字节/秒 B/s

带宽不仅和工作频率有关，还和数据总线宽度、每次传输的数据量有关。

简单理解：

频率越高：单位时间传输次数越多；
数据总线越宽：每次传输的数据越多；
带宽越高：CPU 越容易获得足够指令和数据。

如果内存带宽不足，即使 CPU 主频很高，也可能因为取指和取数太慢而无法发挥全部性能。

3.6 辅助存储：硬盘与 SSD

辅助存储用于长期保存数据，常见设备包括机械硬盘 HDD 和固态硬盘 SSD。

HDD：机械硬盘

特点：

容量大，单位成本低；
依靠磁头和盘片机械运动读写；
速度较慢，抗震能力较差。

SSD：固态硬盘

特点：

基于闪存芯片，没有机械部件；
读写速度明显高于 HDD；
抗震能力更强；
单位容量成本通常高于 HDD。

主存与辅助存储的区别

项目	主存 RAM	辅助存储 HDD/SSD
速度	较快	较慢
容量	较小	较大
成本	较高	较低
挥发性	断电丢失	断电不丢失
CPU访问方式	可直接访问	需要输入输出接口访问

3.7 存储器与 CPU 的连接

CPU 不能直接长期保存大量数据，因此需要与存储器配合。

典型关系：

CPU ↔ Cache ↔ 主存 RAM ↔ 辅助存储

运行程序时：

操作系统把程序从硬盘/SSD 加载到主存；
CPU 从主存读取指令和数据；
近期频繁访问的数据会被放入 Cache；
CPU 优先访问 Cache，缺失时再访问主存；
需要长期保存的数据写回硬盘或 SSD。

这一过程依靠地址总线、数据总线和控制总线协调完成：

地址总线：CPU 给出要访问的存储单元地址；
数据总线：CPU 与存储器之间传输指令和数据；
控制总线：传输读、写、同步等控制信号。

本课小结

存储系统是计算机中保存程序和数据的核心部分。现代计算机采用存储器层次结构，把快速、小容量的上层存储器与慢速、大容量的下层存储器结合起来。主存是 CPU 运行程序的主战场，Cache 用于减少 CPU 等待，辅助存储用于长期保存数据。理解存储系统，是后续学习指令执行、CPU 设计、虚拟内存和性能优化的重要基础。

思考练习

为什么存储器要采用层次结构，而不是全部使用最快的存储器？
SRAM、DRAM、ROM、Flash、HDD、SSD 各有什么特点？
地址总线宽度如何影响可寻址内存空间？
存储器带宽受哪些因素影响？
CPU、Cache、主存、辅助存储之间是什么关系？