计算机组成与体系结构：存储器（Memory）

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📁 当你打开一个文件，计算机会做什么？

⚡ 越大的 memory，访问速度越快吗？ 

🧠 那么，我们是怎么设计存储器的呢？

Primary Memory（主存）登场！

DRAM（动态随机存取存储器）

SRAM（静态随机存取存储器）

 Primary Memory 的典型工作流程

Secondary Memory（二级存储）

Secondary Memory 的典型设备

Secondary Memory 的访问方式

为什么访问速度比主存慢？

CPU 怎么访问存储器？

第一步：🔍 CPU 优先找 Cache

第二步：🚪Cache 没有怎么办？去找 主存（Main Memory）

第三步：📂主存也没有怎么办？去找 Secondary Memory（二级存储）

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📁 当你打开一个文件，计算机会做什么？

想象一下你在电脑里打开一个视频。点开那一刻，计算机会做什么？

本质上，你的电脑要找到那个视频文件，读出数据，传给CPU解码和播放。所以最初的问题是：

“数据文件存在哪儿？我怎么能快速拿到它？”

从第一性原理来看，数据存储的本质就是：把信息（0 和 1）稳定地放在某种介质上，等需要时再读回来。最原始的存储方式是磁带、磁盘（比如硬盘），它们可以存很多东西，但读取速度很慢。这就产生了我们第一个认知冲突： 

⚡ 越大的 memory，访问速度越快吗？ 

❓“既然硬盘能存几TB，为什么不让 CPU 直接用硬盘？”是不是 memory 越大，access time 越小？ 

从第一性原理看，这是不可能的。

• 物理规律告诉我们：想要更大容量，通常要放更多单元；更多单元意味着更远的距离或更复杂的电路，于是速度慢。

• 相反，越快的存储，通常是物理结构更简单、距离更短，但这意味着空间小而昂贵。

因此，memory 越大，access time 通常是越长的，这也是计算机设计里非常关键的一个矛盾点。

同时，CPU频率越高，反而效率低。这是因为： 

CPU完成任务太快，其他设备（比如内存、硬盘）跟不上，导致CPU大多数时间都在“等”数据，反而没干活。 

🧠 那么，我们是怎么设计存储器的呢？

我们来看看“打开文件”这个例子里 memory 的角色。

🪨 最开始：Second Memory（二级存储）

你的视频文件被保存在 硬盘 或 **固态硬盘（SSD）**里，这是所谓的：

Secondary Memory（二级存储）

当你打开一个文件，操作系统先从 Second Memory 读入文件内容。

这时，问题来了：

“如果每次都直接从硬盘里读数据，会不会太慢了？” 

答案是：是的，真的太慢了！

于是我们就需要更快的地方来放这个数据，让 CPU 能快速用 —— 这就引出了：Primary Memory（主存）

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Primary Memory（主存）登场！

这个名字不是随便起的。

• “Primary” 表示**“第一位”**、“主要的”。

• 它是 CPU 访问的第一存储层次，是直接和 CPU 通信的数据源头。

• 与之相对的是 Secondary Memory，它不直接参与程序运行，只负责长期存储。

这就是我们常说的 RAM 随机存取存储器（Random Access Memory），计算机运行程序和数据的主战场。

• 特点：速度比硬盘快很多，电一断就全没了

• 存储的不是全部数据，而是当前“正在用”的部分

• CPU 可以在任意时间，直接访问内存中的任意一个位置，访问速度都差不多，不用排队、也不用顺序读。(Random）

当你点开文件时，系统会把文件从硬盘读到主存中，再由 CPU 来使用主存中的数据。

那么主存又是怎么实现的呢？

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DRAM（动态随机存取存储器）

全称：Dynamic Random Access Memory 

为什么叫“动态”？

因为它存储 0 或 1 用的是一个小电容器（像一个蓄水池），电荷会自动泄漏，所以必须定时刷新——这就是“动态”的来源。

⚙️ 构造和工作原理：

• 一个 bit 是由 一个电容 + 一个晶体管 构成。

• 电容充电为 1，不充为 0。

• 由于电会漏掉，所以需要 周期性刷新（refresh）。

✅ 优点：

• 结构简单，单个单元非常小，所以可以做到容量大。

• 成本相对较低。

❌ 缺点：

• 需要刷新，速度比 SRAM 慢。

• 不适合频繁读写的小数据块操作。

所以主要用于 主内存（RAM），这就是我们电脑中内存条（比如 8GB、16GB DDR4）的核心技术。

SRAM（静态随机存取存储器）

全称：Static Random Access Memory 

为什么叫“静态”？

因为它一旦写入了 0 或 1，就能一直保持状态，不需要像 DRAM 那样不断刷新。

⚙️ 构造和工作原理：

• 用 6 个晶体管做成一个稳定电路，可以记住一个 bit。

• 不靠电容，不存在漏电问题。

✅ 优点：

• 速度极快，不需要刷新。

• 稳定可靠，适合高速缓存使用。

❌ 缺点：

• 结构复杂，占用空间大。

• 造价高，不适合做大容量。

这就是为什么它被用在 CPU 内部的 Cache（L1/L2/L3） 里，作为 Primary Memory 的一部分，但仅用于极高频的操作。

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 Primary Memory 的典型工作流程

我们还是用“打开视频文件”的例子：

1. 你打开视频，系统从硬盘读取数据。

2. 把数据放到主存（DRAM）里，这是 Primary Memory。

3. CPU 从 DRAM 中拿数据。

4. 如果有些数据频繁访问，就会被自动缓存进 SRAM Cache 中，加速下一次访问。

所以 Primary Memory 的核心角色是：

“给 CPU 准备好、随时能用的数据区” 

 它不管文件长存在哪里（那是硬盘的事），也不管最重要的数据被缓存在哪里（那是 Cache 的事），它就是中间的“主力军”，连接了 CPU 和磁盘。

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Secondary Memory（二级存储）

 我们先想象一个常见的场景：

 你正在写文档，突然断电了，电脑重启之后，什么都没保存下来……

为什么会这样？

因为你写的内容暂时保存在了 Primary Memory（主存） 中，一旦断电就全丢了。

这暴露了一个主存（比如 DRAM）天生的缺陷：

 它是“易失性”的（Volatile）—— 电一断，数据就没了。

从第一性原理看：

• 我们要有一种不依赖持续供电也能保持数据状态的存储方式。

• 同时还希望能存储很多很多数据（整个系统的照片、文档、视频等）。

于是，工程师们设计出了一个新的存储层级：二级存储

名字的由来：

• “Secondary” 表示它在访问顺序中不是第一优先级，但仍然是不可或缺的一层。

• 它与主存不同，不直接和 CPU 通信，而是通过操作系统调度参与。

 

Secondary Memory 的定义：

 用于长期保存数据、非易失性的存储设备，如硬盘、固态硬盘、U盘等。

问题	谁来解决？	原因
数据必须长期保存	Secondary Memory	主存断电就丢
主存太贵，容量不够	Secondary Memory	容量更大，成本低
启动电脑，数据要从哪来？	Secondary Memory	包含系统、程序、文件等

Secondary Memory 的典型设备

1. HDD（硬盘，Hard Disk Drive）：

   • 利用磁性材料记录 0/1。

   • 机械臂读写，容量大，成本低。

   • 速度慢，易受震动影响。

2. SSD（固态硬盘，Solid State Drive）：

   • 用闪存（Flash memory）技术存储。

   • 没有机械结构，速度快。

   • 成本比 HDD 高，但在逐渐取代 HDD。

3. USB闪存盘、SD卡等：

   • 同样基于 Flash。

   • 容量适中，便于移动。

4. 光盘（CD/DVD）：

   • 现在较少用，但依然是 Secondary Memory 一种。

Secondary Memory 的访问方式

因为它不直接和 CPU 通信，所以它的访问方式如下：

1. 当你打开一个程序（比如 Word），操作系统会：

   • 从 Secondary Memory（比如硬盘）中读取程序代码。

   • 把它加载进 Primary Memory（RAM）中。

2. CPU 接下来只和 RAM 打交道，不直接操作硬盘。

3. 如果程序需要读取更多数据（如打开一个大视频），操作系统会按需从 Secondary Memory 再取一部分放进 RAM。

为什么访问速度比主存慢？

从第一性原理看：

• Secondary Memory 关注的是容量大、存储持久，因此使用的技术（磁盘或 Flash）不以“纳秒级速度”设计。

• 而 Primary Memory 是 CPU 的直接数据供应商，强调的是极致速度和响应时间。

• 所以，在物理结构、材料、功耗策略上，二者天生差异巨大。

 

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CPU 怎么访问存储器？

当 CPU 想要读取一份数据（比如一个文档、一张图片）时，它到底去哪找？

第一步：🔍 CPU 优先找 Cache

为什么？

CPU 是整个计算机系统中最快的“执行者”。它的速度非常快，思考的速度以纳秒计（十亿分之一秒），所以它不能等。

从第一性原理看：

既然 CPU 不能等，那我们就必须把最可能被用到的数据，提前放到离它最近的位置。 

这个“最近的地方”就是 —— Cache（高速缓存）

 

第二步：🚪Cache 没有怎么办？去找 主存（Main Memory）

如果 Cache 里没有数据（称为Cache Miss），那就只能去下一个层级——主存。

主存就是我们平时说的 “内存条” 所代表的空间，最常见的类型是 DRAM（动态随机访问内存）。

为什么要有主存？

从根本上看：

• Cache 太贵，容量太小，放不了太多东西。

• 所以我们用主存作为一个容量更大、但速度稍慢的临时存放空间。

你可以把主存理解为一个大一点的书桌，虽然离 CPU 稍远一点，但可以放下更多的数据和程序。

第三步：📂主存也没有怎么办？去找 Secondary Memory（二级存储）

有些情况更极端，比如：

你打开电脑上一个几 GB 的视频，但内存已经快满了…… 

这时候，主存也放不下更多东西了，怎么办？

系统就会启动“调页机制”（paging）——
把不常用的数据“换出去”，放回二级存储，比如你的硬盘或固态硬盘（SSD）。

当你又需要这些数据时，系统会：

• 从二级存储里读取一页（page）数据，

• 放进主存，

• 然后由主存再传给 Cache，最后到 CPU。

 

访问层级	设备	特征	发生的典型情况
第1层	Cache	非常小、极快	CPU 正常工作中优先访问
第2层	Main Memory（主存）	较大、速度一般	Cache Miss，程序运行中频繁读取数据
第3层	Secondary Memory（二级存储）	非易失、容量大、速度最慢	程序刚打开，或主存不够时加载数据

因此，CPU 并不是直接访问硬盘，而是：

 Cache → RAM（DRAM）→ 硬盘（Secondary Memory）

你可以把它比喻为：

• Cache 是你手边的便利贴；

• 主存是你办公桌上的文档堆；

• 硬盘是你办公室角落的文件柜；