计算机存储器分类和层次结构详解

存储器是计算机系统的核心部件之一，其核心功能是存储程序（指令）和数据，是冯·诺依曼体系结构“存储程序”概念的物质基础。它直接关系到计算机系统的性能、容量和成本。

存储器核心内容总览表

存储层次性能对比（典型值）

核心设计思想

1. 层次化结构
   寄存器→L1→L2→L3→DRAM→SSD→HDD
   ↑速度递减 · 容量递增 · 成本递减↑

2. 局部性原理支撑

   • 时间局部性：近期访问数据很可能被重用
   • 空间局部性：相邻地址数据可能被连续访问

一、 存储器的基本概念与作用

1. 定义： 用于存储二进制信息的物理设备或部件。
2. 核心作用：
   • 存储程序： 存放等待执行的指令序列。
   • 存储数据： 存放原始数据、中间计算结果和最终结果。
   • 信息交换中心： CPU、输入/输出设备都需要通过存储器交换信息（在现代系统中，通常通过Cache和内存交换）。
3. 核心指标：
   • 存储容量： 存储器能存储的二进制信息总量。基本单位是位（bit），常用单位有字节（Byte, B）、千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）、太字节（TB）等。
   • 存取时间： 从存储器接收读/写命令到完成读/写操作所需的时间。通常用Ta表示。反映速度。
   • 存储周期： 连续两次独立的存储器操作（如两次读）所需的最小时间间隔。通常用Tm表示，一般Tm > Ta（因为需要恢复/稳定时间）。反映带宽潜力。
   • 可靠性： 存储器在规定条件下无故障工作的能力。常用平均无故障时间衡量。
   • 功耗： 存储器工作时消耗的功率。
   • 价格/成本： 每位存储单元的成本。
   • 非易失性： 断电后信息是否丢失的特性。

二、 存储器的分类

1. 按在计算机系统中的地位/层次分类 (最重要)：

   • 高速缓冲存储器： 位于CPU和主存之间。容量最小（KB~MB级），速度最快（接近CPU速度），价格最高。由SRAM构成。主要作用是解决CPU和主存速度不匹配问题，存放当前最活跃的程序和数据副本。
   • 主存储器： 简称主存或内存。计算机运行时存放当前正在执行的程序和数据的部件。CPU可直接访问。容量较大（GB级），速度较快（纳秒级），价格适中。主要由DRAM构成。
   • 辅助存储器： 简称辅存或外存。如硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）、光盘、磁带等。容量极大（TB~PB级），速度慢（毫秒级），价格低廉（单位容量成本最低），非易失。用于存放大量暂时不用的程序和数据。CPU不能直接访问辅存，需通过I/O接口调入主存。

2. 按存取方式分类：

   • 随机存取存储器： 存储单元的内容可按地址随机访问，且访问时间与存储单元的物理位置无关。如：RAM（主存）、ROM、Cache。
   • 顺序存取存储器： 信息按顺序存放和读取，访问时间取决于信息所在位置。如：磁带。
   • 直接存取存储器： 存取信息时通常分两步：首先直接指向一个较小的区域（如磁道），然后在该区域内顺序查找或等待。如：磁盘（HDD）、光盘。虽然名字有“直接”，但其存取时间与位置有关，并非严格随机。
   • 相联存取存储器： 不是按地址而是按内容的某些特征（关键字）进行访问。如：TLB（快表）。

3. 按存储介质分类：

   • 半导体存储器： 用半导体集成电路工艺制成。如：SRAM, DRAM, ROM, Flash Memory。速度快，集成度高，功耗相对低。是主存和Cache的基础。
   • 磁表面存储器： 在金属或塑料基体表面涂覆磁性材料层存储信息。如：硬盘（HDD）、磁带。非易失，容量大，成本低，速度慢。
   • 光存储器： 利用激光技术存储和读取信息。如：CD-ROM, DVD, Blu-ray。非易失，容量较大，可移动，速度慢。
   • 新型存储器： 如相变存储器、阻变存储器、磁阻存储器等，试图结合DRAM的速度、SRAM的易用性和Flash的非易失性。

4. 按信息的可更改性分类：

   • 读写存储器： 既可读也可写。如：RAM（SRAM, DRAM）、部分Flash Memory。
   • 只读存储器： 信息固化写入后，在正常工作状态下只能读不能写。如：MROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash ROM（用于固件/BIOS）。通常非易失。

5. 按信息的易失性分类：

   • 易失性存储器： 断电后信息丢失。如：SRAM, DRAM（主存、Cache）。
   • 非易失性存储器： 断电后信息仍能保持。如：ROM、Flash Memory、磁盘、光盘、磁带。

三、 存储系统的层次结构

现代计算机采用多级存储体系来解决存储器速度、容量、成本之间的矛盾。核心思想是：

1. 层次化： 将不同速度、容量、成本的存储器组织成金字塔结构。
   • 顶层： 寄存器 (CPU内部) - 最快最小最贵。
   • 上层： Cache (SRAM) - 很快较小较贵。
   • 中层： 主存储器 (DRAM) - 较快较大较便宜。
   • 底层： 辅助存储器 (HDD/SSD/等) - 慢大便宜，非易失。
2. 局部性原理： 程序访问存储器在时间和空间上表现出局部性。
   • 时间局部性： 刚被访问过的单元很可能在不久的将来再次被访问。
   • 空间局部性： 刚被访问单元的邻近单元很可能在不久的将来被访问。
3. 工作过程： CPU首先访问最快的Cache。若所需数据在Cache中（命中），则快速获取。若不在（未命中），则访问主存获取数据，同时将该数据及其附近数据调入Cache以备后用。若所需数据不在主存中，则从辅存调入主存。
4. 目标： 让CPU访问存储器的平均速度接近Cache的速度，而平均成本接近辅存的成本。

四、 主存储器详解

主存是存储层次的核心，CPU直接与之交互（通过总线）。

1. 基本组成：

   • 存储体(MB)： 由大量存储单元构成，每个单元存放一串二进制位（字），每个单元有一个唯一的地址。存储体是存储信息的实体。
   • 地址寄存器(MAR)： 存放CPU要访问的存储单元地址。位数决定了可寻址空间（如32位MAR -> 4GB地址空间）。
   • 地址译码器： 将MAR中的地址码转换成对应存储单元的字选线信号。
   • 数据寄存器(MDR)： 暂存从存储体读出或将要写入存储体的数据。位数与存储单元字长相同（或成倍数关系）。
   • 读写控制电路： 根据CPU发来的读/写命令，控制存储器的读写操作。
   • 时序控制电路： 产生存储器操作所需的各种时序信号。

2. 主存的主要类型 (RAM)：

   • 静态随机存取存储器：
     • 原理： 基于双稳态触发器（通常是6个MOS管构成）存储信息。只要供电，状态就能保持。
     • 特点： 速度快（存取时间短），接口简单（不需要刷新），功耗较高（比DRAM），集成度较低（单元面积大），成本高，易失。
     • 应用： 主要用于高速缓存。
   • 动态随机存取存储器：
     • 原理： 利用电容上的电荷存储信息（通常1个MOS管+1个电容构成一个单元）。电容电荷会泄漏，需要定期刷新。
     • 特点： 速度比SRAM慢，需要复杂的刷新电路，功耗较低（待机时），集成度高（单元面积小），成本低（单位容量），易失。
     • 应用： 构成计算机的主内存。常见类型：SDRAM, DDR SDRAM (DDR, DDR2, DDR3, DDR4, DDR5)。DDR技术通过时钟上下沿传输数据，成倍提高了数据传输率。
   • 只读存储器：
     • 掩模ROM： 信息在生产时固化，不可更改。
     • PROM： 用户可编程一次，之后不可更改。
     • EPROM： 紫外光擦除，电编程。可多次擦写。
     • EEPROM： 电擦除电编程。可逐字节擦写，但速度慢。
     • Flash Memory： 块擦除型EEPROM。擦写速度快于EEPROM，成本更低，集成度高。广泛应用于U盘、SSD、BIOS芯片等。非易失。
     • 特点： 非易失性，通常只能读（或写速度远慢于读），用于存储固定程序和数据（如BIOS、引导程序、固件）。

3. 主存储器与CPU的连接：

   • 总线连接： 通过系统总线（地址总线、数据总线、控制总线）连接。
   • 地址线连接： CPU的地址总线连接到存储芯片的地址引脚。地址总线的宽度决定最大寻址范围。
   • 数据线连接： CPU的数据总线连接到存储芯片的数据引脚。数据总线的宽度决定每次访问的数据位数。
   • 控制线连接： CPU的读/写控制线连接到存储芯片的读/写控制引脚（如/WE）。片选信号（/CS或/CE)通常由高位地址经译码器产生，用于选择特定的存储芯片或芯片组。
   • 存储容量的扩展：
     • 位扩展： 增加数据位数（字长）。多片存储芯片的数据线分别连接到数据总线的不同位上，地址线和控制线并联。
     • 字扩展： 增加存储单元数量（字数）。多片存储芯片的数据线都连接到数据总线上（需要三态控制），地址线并联，但片选信号由不同的地址译码输出控制。
     • 字位同时扩展： 同时增加字数和字长。结合位扩展和字扩展的方法。

4. 提高主存性能的技术：

   • 多体交叉存储器：
     • 原理： 将主存分成多个独立编址、能并行操作的存储体（模块）。
     • 编址方式：
       • 高位交叉编址（顺序方式）： 高位地址用于选择存储体。主要用于扩大容量。访问连续地址时，实际在同一存储体上串行进行。
       • 低位交叉编址（交叉方式）： 低位地址用于选择存储体。连续地址分布在相邻的不同存储体上。
     • 作用（低位交叉）： 当CPU连续访问主存时，可以在前一个存储体存取周期结束前启动下一个存储体的访问，形成流水线操作，提高存储器的带宽。
   • 高速缓冲存储器： 如前所述，是解决CPU-主存速度差异最有效的方法。

五、 辅助存储器

1. 作用： 提供海量、廉价、非易失的存储空间。
2. 主要类型：
   • 磁盘存储器：
     • 组成： 盘片（表面磁性涂层）、磁头、读写电路、驱动机构（主轴电机、磁头臂驱动电机）、接口。
     • 原理： 利用磁头在高速旋转的盘片表面磁化区域来记录信息（磁畴方向代表0/1）。信息按磁道和扇区组织。
     • 特点： 容量大，成本低（单位容量），非易失，可重复读写，访问速度慢（寻道时间+旋转延迟+传输时间），有机械运动部件（易损、功耗、噪音）。
   • 固态硬盘：
     • 原理： 基于NAND Flash存储器芯片，通过电子方式存储信息。
     • 特点： 速度快（尤其是随机访问，无机械延迟），无机械部件（抗震、静音、低功耗），非易失，但单位容量成本高于HDD，存在写入次数限制（需磨损均衡算法管理）。
   • 光盘存储器： 利用激光在盘片表面烧蚀凹坑或改变相变材料状态来记录信息。如CD-ROM（只读）、CD-R（一次写）、CD-RW（可重写）、DVD、BD。容量较大，可移动，成本低，速度慢，主要用于数据分发和备份。
   • 磁带存储器： 顺序存取，容量巨大（LTO磁带），成本极低（单位容量），速度很慢，主要用于海量数据的长期归档备份。

六、 存储器的主要技术指标总结与平衡

• 速度： 存取时间(Ta)、存储周期™、数据传输率（带宽 = 数据总线宽度 / Tm）。
• 容量： 总存储位数或字节数。
• 价格/位： 每位存储单元的成本。
• 功耗： 工作功耗和待机功耗。
• 可靠性： MTBF。
• 非易失性： 是否需要持续供电保存数据。

核心矛盾： 速度快的存储器成本高、容量小；成本低、容量大的存储器速度慢。存储层次结构和局部性原理是解决这一矛盾的关键。

七、 发展趋势

1. 新型非易失存储器： 如相变存储器、阻变存储器、磁阻存储器等，致力于突破SRAM/DRAM/Flash的局限，实现更高速度、更低功耗、更长寿命、更高密度的非易失存储。
2. 3D堆叠技术： 将存储单元在垂直方向堆叠多层，显著提高单位面积上的存储密度（如3D NAND Flash, 3D DRAM）。
3. 存储类内存： 试图打破传统存储层次界限，让具有非易失性、接近DRAM速度、字节寻址能力的新型存储器（如PCM, ReRAM）直接连接到内存总线，既能充当高速主存又能持久化数据。
4. 近存计算/存内计算： 探索在存储器内部或其附近进行数据处理，减少数据在存储器和处理器之间的搬运开销，提升能效和性能，尤其适用于大数据和AI场景。
5. 高速接口技术： 如GDDR（显存）、HBM（高带宽内存）用于满足GPU和AI加速器对极高内存带宽的需求。

总结

存储器是计算机系统不可或缺的“记忆”部件，其性能直接影响整体系统性能。理解存储器的分类、层次结构（特别是Cache-主存-辅存体系）、工作原理（尤其是SRAM、DRAM、Flash）、技术指标及其相互制约关系，是掌握计算机组成原理的关键。现代计算机通过精妙的多级存储层次设计和局部性原理的利用，在速度、容量和成本之间取得了良好的平衡。存储技术仍在快速发展，新型存储介质和架构不断涌现，将持续推动计算能力的提升和应用模式的变革。