【存储器分类】

按层次

主存储器：又称主存、内存，用来存放计算机运行期间所需的大量程序和数据，CPU 可以直接随机地对其进行访问，也可以和高速缓冲存储器（Cache）以及辅助存储器交换数据，容量较小、存取速度较快、每位价格较高
辅助存储器：又称辅存、外存，是主存储器的后援存储器，用来存放当前暂时不用的程序和数据，以及一些需要永久性保存的信息，不能与 CPU 直接交换信息，容量极大、存取速度较慢、单位成本低
高速缓冲存储器：即 Cache，位于主存和 CPU 之间，用来存放正在执行的程序段和数据，以便 CPU 能高速地使用它们，其存取速度可以与 CPU 的速度相匹配，但存储容量小、价格高

随机存储器：即 RAM，其任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间与存储单元的物理位置无关，读写方便、使用灵活，主要用做主存或高速缓冲存储器
- 静态 RAM：以触发器原理寄存信息
- 动态 RAM：以电容充电原理寄存信息
只读存储器：即 ROM，内容只能随机读出而不能写入，信息一旦写入存储器就固定不变了，即使断电内容也不会丢失，通常存放固定不变的程序、常数和汉字字库，甚至用于操作系统的固化，与 RAM 共同作为主存的一部分，统一构成主存的地址域
串行访问存储器：对存储单元进行读写操作时，需按其物理位置的先后顺序寻址
- 顺序存取存储器：如磁带，其内容只能按某种顺序存取，存取时间的长短与信息在存储体上的物理位置有关，存取速度慢
- 直接存取存储器：如磁盘，既不像 RAM 那样随机地访问任一个存储单元，也不像顺序存取存储器那样完全按顺序存取，而是介于两者之间，存取信息时通常先寻找整个存储器中的某个小区域（如磁盘上的磁道），再在小区域内顺序查找

如果某个存储单元所存储的信息被读出时，原存储信息将被破坏，则称为破坏性读出；如果读出时，被读单元原存储信息不被破坏，则称为非破坏性读出

具有破坏性读出性能的存储器，每次读出操作后，必须紧接一个再生的操作，以便恢复被破坏的信息

存储器有 $3$ 个主要性能指标，即存储容量、单位成本和存储速度，这 $3$ 个指标相互制约，设计存储器系统所追求的目标就是大容量、低成本和高速度

$存储容量=存储字数\times 字长$

存储字数表示存储器的地址空间大小，字长表示一次存取操作的数据量，如 $1M\times 8位$

$每位价格＝\frac{总成本}{总容量}$

$数据传输率＝\frac{数据的宽度}{存储周期}$

存取时间 $T_a$：从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，分为读出时间和写入时间
存取周期 $T_m$：又称为读写周期、访问周期，指存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次独立地访问存储器操作（读或写操作）之间所需的最小时间间隔
主存带宽 $B_a$：又称数据传输率，表示每秒从主存进出信息的最大数量，单位为字/秒、字节/秒、位/秒

存取时间不等于存储周期，通常存储周期大于存取时间。这是因为对任何一种存储器，在读写操作之后，总要有一段恢复内部状态的复原时间。对于破坏性读出的存储器，存取周期往往比存取时间大得多，甚至可以达到 $T＝2T$，这是因为存储器中的信息读出后需要马上进行再生

存取时间与存取周期的关系如下图所示

为了解决存储系统大容量、高速度和低成本这些相互制约的矛盾，在计算机系统中，通常采用多级存储器结构

在图中由上至下，位价越来越低，速度越来越慢，容量越来越大，CPU 访问的频度也越来越低

实际上，存储系统层次结构主要体现在 Cache-主存层次和主存-辅存层次，前者主要解决 CPU 和主存速度不匹配的问题，后者主要解决存储系统的容量问题

在存储体系中，Cache、主存能与 CPU 直接交换信息，辅存则需要通过主存与 CPU 交换信息

从 CPU 的角度看，Cache-主存层次速度接近于 Cache，容量和位价却接近于主存，从主存-辅存层次分析，其速度接近于主存，容量和位价却接近于辅存，这就解决了速度、容量、成本这三者之间的矛盾，现代计算机系统几乎都采用这种三级存储系统

需要注意的是，主存和 Cache 之间的数据调动是由硬件自动完成的，对所有程序员均是透明的，而主存和辅存之间的数据调动则是由硬件和操作系统共同完成的，仅对应用程序员是透明的

随着在主存-辅存层次的不断发展，逐渐形成了虚拟存储系统，在这个系统中，可以令程序员编程的地址范围与虚拟存储器的地址空间相对应，使得对具有虚拟存储器的计算机系统而言，编程时可用的地址空间远远大于主存空间