编程必备基础知识|计算机组成原理篇(08)：存储器

计算机基础方面的知识，对于一些非科班出身的同学来讲，一直是他们心中的痛，而对于科班出身的同学，很多同学在工作之后，也意识到自身所学知识的不足与欠缺，想回头补补基础知识。关于计算机基础的课程很多，内容繁杂，但无论是相关书籍还是大学课程，都有点脱离工作。特别地，计算机基础知识体系庞杂，想要从零学习或者复习都耗时耗力。

有鉴于此，本系列文章将带你更快的补足编程必备基础知识，涵盖计算机领域三大基础知识：计算机组成原理、操作系统、计算机网络，这些都是大学计算机课程里面最重要的内容。文章对这些内容做了提炼和总结，摒弃了作为程序员不需要掌握的知识。

目的是：

• 帮助大家形成计算机知识的结构体系
• 帮助大家理解计算机底层原理
• 帮助大家在工作实践中借鉴其中的优秀设计

本篇是计算机组成原理之计算机的存储器

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1.什么是存储器

存储器，顾名思义，是用来储存物质的。在计算机中，这些储存的物质就是数据和指令，有了存储器，计算机就有了记忆功能。

存储器由一些编号的单元所组成，单元的编号叫做地址。打个比方，存储器就像是一个大型仓库，仓库里面有很多个房间存放着货物，每个房间都有自己的房号；而存储器单元好比房间，房间里的货物好比数据和指令，而单元的编号（地址）就好比房间号，我们的计算机就是根据这个地址来存放或取出数据和指令的。

计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。

2.存储器的分类

按存储介质来划分，存储器可分为半导体存储器和磁存储器。其中，半导体存储器存储的元器件是由半导体组成的，常见的如：内存、u盘、固态硬盘等；磁存储器，是由表面涂有磁性材料的存储介质组成的，常见的有：磁带、磁盘。

按存取方式来分类，可以将存储器分为随机存储器（ram）、串行存储器、只读存储器（rom），

3.存储器的层次结构

在选取计算机的存储器时，通常需要考虑的因素是存储器的读写速度、存储容量、价格，我们希望读写速度越快越好、存储容量越大越好、价格则越低越好。有一个专门的单位，用来量化存储器的性价比——位价。位价综合地把容量和价格都考虑进去了，它的含义是每比特位的价格，使用位价可以客观地描述存储器的性价比。

按照位价和读写速度的关系，可以把存储器划分为几个层次：缓存、主存、辅存。

缓存指的是cpu里的寄存器以及高速缓存，速度快，位价高。

主存指的主要是计算机里的内存，速度适中，价格适中。

辅存指的是外部储存设备，如磁盘、u盘、移动硬盘等，速度慢，价格低。

之前文章里已经提到过，cpu是高速运算的，处理速率极快，而存储器没有cpu快，传输数据和程序到cpu里时速度慢，这会导致cpu经常空转等待数据传输，两者在速度上是不匹配的。理论上，不考虑价格的话，我们肯定希望缓存越大越好，但是由于位价的存在，缓存不可能做的越大越好，因此才有了这个层次结构。

存储器的层次结构也可以使用如下图来表达：

图示里，cpu与高速缓存是直接通信的，也可以跟主存进行通信。而高速缓存和主存之间也可以相互通信，称之为缓存-主存层次，除了缓存-主存层次，还有主存和辅存之间的通信，这个通信，cpu是不参与的，称之为主存-辅存层次。

缓存-主存层次，是在cpu与主存之间增加一层速度快容量小的cache，目的是解决主存与cpu速度不匹配的问题。有了高速缓存的存在，cpu就可以通过一定的策略，尽可能地去访问这个高速缓存而不是主存，从而有效提高cpu的利用效率以及计算机的运行速度。cpu选取数据时，首先会从缓存中去取，缓存中没有的话，再会去取主存中的。

主存-辅存层次，是在主存之外增加辅助存储器（磁盘、sd卡、u盘等），目的是解决主存容量不足的问题。假设我们运行一个超大型游戏，而内存通常只有8g，此时，就可以把游戏当前使用的数据加载到内存中，把不使用的数据放在辅存中。