?? Hi策精，我是小余。 本文已收錄到 GitHub · Androider-Planet 中第焰。這里有 Android 進(jìn)階成長(zhǎng)知識(shí)體系，關(guān)注公眾號(hào) [小余的自習(xí)室] 妨马，在成功的路上不迷路挺举！

前言

生活中經(jīng)常聽(tīng)到這句話(huà)“一分錢(qián)一分貨，哪有那么多又便宜又好用”烘跺，在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)體系中湘纵，也是如此，存儲(chǔ)速度越快的滤淳，也就越貴梧喷，而且是呈指數(shù)的貴。計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)呈如下金字塔排布脖咐。

理想情況下铺敌，我們肯定希望擁有無(wú)限大的內(nèi)存容量，這樣就可以立刻訪問(wèn)任何一個(gè)特定的機(jī)器字屁擅，但我們不得不認(rèn)識(shí)到有可能需要構(gòu)建分層結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器偿凭，每一層次容量都要大于前一層次，但其訪問(wèn)速度也要更慢一些派歌。

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你是不是經(jīng)常被以下名詞弄得暈頭轉(zhuǎn)向弯囊。ROM/RAM/DRAM/SRAM/SDRAM/DDR SDRAM等等，下面胶果，我盡力以上圖為參考匾嘱，從上到下，說(shuō)明各個(gè)層次存儲(chǔ)器的特點(diǎn)和區(qū)別早抠，并對(duì)它們的工作原理做一些簡(jiǎn)要的說(shuō)明

1.寄存器（Register）

寄存器是CPU中的一部分奄毡。它是一個(gè)高速存貯部件，可以用來(lái)暫存指令贝或、數(shù)據(jù)和地址。每個(gè)CPU中有多個(gè)寄存器锐秦，例如8086CPU中含有14個(gè)寄存器咪奖。

寄存器是CPU的內(nèi)部組成單元，是CPU運(yùn)算時(shí)取指令和數(shù)據(jù)最快的地方酱床。它可以用來(lái)暫存指令羊赵、數(shù)據(jù)和地址。在CPU的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序計(jì)數(shù)器（PC）昧捷。CPU的算術(shù)邏輯部件中闲昭，包含的寄存器有累加器（ACC）。 下圖中藍(lán)色小框里面靡挥，全是寄存器序矩。

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2.高速緩存（Cache）與主存

2.1 引入cache的目的

計(jì)算機(jī)在運(yùn)行程序時(shí)，首先將程序從磁盤(pán)讀取到主存跋破，然后CPU按規(guī)則從主存中取出指令簸淀，數(shù)據(jù)并執(zhí)行指令，但是直接從主存（一般是DRAM）中讀寫(xiě)是很慢的毒返，所以引入了高速緩存（Cache）租幕。

在程序運(yùn)行前首先會(huì)試圖將指令，數(shù)據(jù)從主存中讀取到Cache中拧簸，然后在程序執(zhí)行時(shí)直接訪問(wèn)Cache劲绪，如果指令和數(shù)據(jù)可以從Cache中讀取到，那么就說(shuō)是“命中（hit）”盆赤，反之就是“不命中（miss）”贾富，miss情況下需要從主存中讀取指令或者數(shù)據(jù)，這樣會(huì)直接影響CPU的性能弟劲，所以命中率對(duì)CPU來(lái)說(shuō)至關(guān)重要祷安。

現(xiàn)代處理器一般有三層cache，分別稱(chēng)為L(zhǎng)1 cache兔乞、L2 cache汇鞭、L3 cache。L1 cache離CPU核最近庸追，存儲(chǔ)信息的讀取速度接近CPU核的工作速度霍骄，容量較小，一般分成I-cache和D-cache兩塊淡溯，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)读整；L2 cache比L1更遠(yuǎn)，速度慢一些咱娶，但是容量更大米间，不分I-cache和D-cache；L3更慢膘侮、更大屈糊，現(xiàn)在流行多核處理器，L3一般由多個(gè)處理器核共享琼了，而L1逻锐、L2是單核私有的。

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實(shí)際上cache是一個(gè)廣義的概念，可以認(rèn)為主存是磁盤(pán)的cache昧诱，而CPU內(nèi)cache又是主存的cache晓淀，使用cache的目的就是偽造出一個(gè)容量有低層次存儲(chǔ)器（如磁盤(pán)）那么大，而速度又有寄存器（如通用寄存器）那么快的存儲(chǔ)器盏档，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就要讓存儲(chǔ)單元看起來(lái)又大又快凶掰。

2.2 cache的理論基礎(chǔ)

cache之所以能work，主要基于兩個(gè)認(rèn)識(shí)妆丘，即程序運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)具有時(shí)間局部性和空間局部性锄俄。

時(shí)間局部性是指一個(gè)數(shù)據(jù)如果當(dāng)前被使用到，那么接下去一段時(shí)間它很可能被再次用到勺拣；空間局部性是指一個(gè)數(shù)據(jù)如果當(dāng)前被使用到奶赠，那么接下去一段時(shí)間它周?chē)臄?shù)據(jù)很可能也會(huì)被用到，比如數(shù)組药有。

2.3 Cache的組成方式

cache容量較小毅戈，所以數(shù)據(jù)需要按照一定的規(guī)則從主存映射到cache。一般把主存和cache分割成一定大小的塊愤惰，這個(gè)塊在主存中稱(chēng)為data block苇经，在cache中稱(chēng)為cache line。 舉個(gè)例子宦言，塊大小為1024個(gè)字節(jié)扇单，那么data block和cache line都是1024個(gè)字節(jié)。當(dāng)把主存和cache分割好之后奠旺，我們就可以把data block放到cache line中蜘澜，而這個(gè)“放”的規(guī)則一般有三種，分別是“直接映射”响疚、“組相聯(lián)”和“全相聯(lián)”鄙信。

直接映射

直接映射采用“取模”的方式進(jìn)行一對(duì)一映射。舉個(gè)例子忿晕，如果cache中共有8個(gè)cache line装诡，那么0、8践盼、16鸦采、24...號(hào)data block會(huì)被映射到0號(hào)cache line中，同理1咕幻、9赖淤、17....號(hào)data block會(huì)被映射到1號(hào)cache line中，具體可以參考下面的關(guān)系圖谅河。

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組相聯(lián)：

直接映射中主存中的每一個(gè)data block都有一個(gè)確定的cache line進(jìn)行映射，這是有缺陷的。當(dāng)程序連續(xù)讀取0绷耍、8吐限、0、8號(hào)data block的數(shù)據(jù)時(shí)褂始，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)cache line供映射诸典，所以當(dāng)?shù)诙巫x取0號(hào)block時(shí)，第一次讀到cache中的0號(hào)block早被頂替出去了崎苗，這時(shí)候又會(huì)產(chǎn)生miss狐粱，miss會(huì)極大地影響執(zhí)行效率。

為了解決上面的問(wèn)題胆数，提出使用“組相聯(lián)”的方式肌蜻。組相聯(lián)的主存-cache對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)下圖。

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根據(jù)上圖我們很容易發(fā)現(xiàn)比起直接映射必尼，組相聯(lián)翻倍了block可以映射的cache line的數(shù)量蒋搜，圖上數(shù)量為2，我們稱(chēng)每?jī)蓚€(gè)cache line為一個(gè)cache set判莉。

全相聯(lián)

全相聯(lián)是極端的組相聯(lián)豆挽，即cache只有一個(gè)cache set。每一個(gè)data block都可以存進(jìn)任何一個(gè)cache line券盅。下圖是對(duì)應(yīng)關(guān)系帮哈。

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2.4.RAM與ROM

計(jì)算機(jī)中按存儲(chǔ)類(lèi)型劃分為隨機(jī)存儲(chǔ)器（Random Access Memory, RAM）和只讀存儲(chǔ)器（Read Only Memory, ROM）

• （1）隨機(jī)存儲(chǔ)器（Random Access Memory, RAM）

  RAM是一種可讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器，其特點(diǎn)是存儲(chǔ)器的任何一個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都可以隨機(jī)存取锰镀，而且存取時(shí)間域存儲(chǔ)單元的物理位置無(wú)關(guān)娘侍。

• （2）只讀存儲(chǔ)器（Read Only Memory, ROM）

  顧名思義，ROM只能對(duì)其存儲(chǔ)的內(nèi)容讀出互站，不能對(duì)其重新寫(xiě)入私蕾。因此，通常用它存放固定不變的程序胡桃、常數(shù)踩叭、漢字字庫(kù)等。存放在ROM設(shè)備中的程序通常稱(chēng)為固件(firmware)翠胰。比如我們計(jì)算機(jī)的BIOS容贝，就是存放在ROM中的。 　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展之景，出現(xiàn)了可編程只讀存儲(chǔ)器（Programmable ROM, PROM）斤富、可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（Erasable Programmable ROM, EPROM）及用電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（Electrically Erassable Programmable ROM, EEPROM）。近年來(lái)還出現(xiàn)了閃速存儲(chǔ)器（Flash Memory）锻狗，它基于EEPROM满力。

高速緩存和主存都是RAM（Random-Access Memory焕参，隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器），它分為靜態(tài)的（SRAM）和動(dòng)態(tài)的（DRAM）油额，分別對(duì)應(yīng)高速緩存和主存叠纷。

SRAM

SRAM只要儲(chǔ)存器保持通電，里面儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)就可以保持不變潦嘶。我們也把它叫做雙穩(wěn)定態(tài)，即使有干擾掂僵，當(dāng)干擾消除的時(shí)候，電路就會(huì)恢復(fù)穩(wěn)定值宛瞄。它的每個(gè)單元都是由六個(gè)晶體管電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。如下圖互拾。

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DRAM

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如上圖闸氮，每個(gè)RDAM芯片被連接到某個(gè)稱(chēng)為存儲(chǔ)寄存器的電路，它的2個(gè)addr引腳教沾，攜帶２位的行和列超單元引腳蒲跨。當(dāng)要訪問(wèn)一個(gè)超單元時(shí)，行地址i稱(chēng)為RAS（Row Access Strobe授翻，行訪問(wèn)選通脈沖）請(qǐng)求或悲。列地址j稱(chēng)為CAS（Column Access Strobe，列訪問(wèn)選通脈沖）請(qǐng)求堪唐。兩者共享相同的DRAM地址引腳巡语。具體讀取過(guò)程如下圖。

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DRAM每個(gè)單元是由一個(gè)電容和一個(gè)訪問(wèn)晶體管組成的淮菠，每一位存儲(chǔ)就是對(duì)一個(gè)電容充電男公。利用電容內(nèi)部存儲(chǔ)電荷的多少來(lái)代表這一位是0還是1。但是由于電容有漏電的現(xiàn)象合陵，當(dāng)有干擾存在時(shí)枢赔，可能會(huì)導(dǎo)致電壓被擾亂，從而使數(shù)據(jù)丟失拥知。所以它需要周期性的充電踏拜。由于多種原因?qū)е碌穆╇姡珼RAM單元會(huì)在10～100毫秒時(shí)間內(nèi)失去電荷低剔。例如由于電容暴露在陽(yáng)光下會(huì)導(dǎo)致電壓的改變速梗，利用這一特性，數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)的傳感器本質(zhì)就是DRAM的單元陣列户侥。下表是SRAM和DRAM的對(duì)比镀琉。

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ROM與閃存(flash memory)

ROM(Read OnlyMemory，只讀存儲(chǔ)器)有的類(lèi)型是可以讀也可以寫(xiě)蕊唐，但是由于歷史原因屋摔，統(tǒng)稱(chēng)為只讀存儲(chǔ)器。它存放的數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定替梨，斷電后所存的數(shù)據(jù)也不會(huì)改變钓试，它的結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單装黑，讀出方便，因而常用于存儲(chǔ)各種固定程序與數(shù)據(jù)弓熏。存放在ROM設(shè)備中的程序通常稱(chēng)為固件(firmware)恋谭。比如我們計(jì)算機(jī)的BIOS，就是存放在ROM中的挽鞠。

PROM(ProgrammableROM疚颊，可編程ROM) 只能被編程一次。PROM的每個(gè)存儲(chǔ)器單元有一種熔絲信认，它只能用高電流熔斷一次材义。

EPROM(ErasableProgrammable ROM，可擦寫(xiě)可編程ROM)有一個(gè)透明的石英窗口嫁赏，允許光到達(dá)存儲(chǔ)單元其掂。紫外線光通過(guò)窗口照射進(jìn)來(lái)，EPROM單元就被清楚為0潦蝇。EEPROM(Electrically Erasable ROM款熬，電子可擦寫(xiě)ROM)類(lèi)似于EPROM，但是它不需要一個(gè)物理上獨(dú)立的編程設(shè)備攘乒，因此可以直接在印制電路卡上編程贤牛。

3.磁盤(pán)

磁盤(pán)包括硬盤(pán)和軟盤(pán)，這里我們以硬盤(pán)為例持灰，硬盤(pán)是我們最長(zhǎng)接觸到的存儲(chǔ)器之一盔夜，拆開(kāi)后它就長(zhǎng)下面這個(gè)樣子

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如果把它的結(jié)構(gòu)圖花下來(lái)，它就是下面這個(gè)樣子的堤魁。它是由盤(pán)片喂链、磁頭、盤(pán)片主軸妥泉、控制電機(jī)椭微、磁頭控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器盲链、接口蝇率、緩存等部分組成的。

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下面介紹最重要的幾個(gè)概念刽沾，扇區(qū)本慕、磁道、柱面侧漓、盤(pán)面锅尘。

1、盤(pán)面

硬盤(pán)的盤(pán)片一般用鋁合金材料做基片布蔗，高速硬盤(pán)也可能用玻璃做基片藤违。硬盤(pán)的每一個(gè)盤(pán)片都有兩個(gè)盤(pán)面（Side）浪腐，即上、下盤(pán)面顿乒，一般每個(gè)盤(pán)面都會(huì)利用议街，都可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，成為有效盤(pán)片璧榄，也有極個(gè)別的硬盤(pán)盤(pán)面數(shù)為單數(shù)特漩。每一個(gè)這樣的有效盤(pán)面都有一個(gè)盤(pán)面號(hào)，按順序從上至下從“0”開(kāi)始依次編號(hào)骨杂。在硬盤(pán)系統(tǒng)中拾稳，盤(pán)面號(hào)又叫磁頭號(hào)，因?yàn)槊恳粋€(gè)有效盤(pán)面都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的讀寫(xiě)磁頭腊脱。硬盤(pán)的盤(pán)片組在2～14片不等，通常有2～3個(gè)盤(pán)片龙亲，故盤(pán)面號(hào)（磁頭號(hào)）為0～3或 0～5陕凹。

2、磁道

磁盤(pán)在格式化時(shí)被劃分成許多同心圓鳄炉，這些同心圓軌跡叫做磁道（Track）杜耙。磁道從外向內(nèi)從0開(kāi)始順序編號(hào)。硬盤(pán)的每一個(gè)盤(pán)面有300～1 024個(gè)磁道拂盯，新式大容量硬盤(pán)每面的磁道數(shù)更多佑女。信息以脈沖串的形式記錄在這些軌跡中，這些同心圓不是連續(xù)記錄數(shù)據(jù)谈竿，而是被劃分成一段段的圓弧团驱，這些圓弧的角速度一樣。由于徑向長(zhǎng)度不一樣空凸，所以嚎花，線速度也不一樣，外圈的線速度較內(nèi)圈的線速度大呀洲，即同樣的轉(zhuǎn)速下紊选，外圈在同樣時(shí)間段里，劃過(guò)的圓弧長(zhǎng)度要比內(nèi)圈劃過(guò)的圓弧長(zhǎng)度大道逗。每段圓弧叫做一個(gè)扇區(qū)兵罢，扇區(qū)從“1”開(kāi)始編號(hào)，每個(gè)扇區(qū)中的數(shù)據(jù)作為一個(gè)單元同時(shí)讀出或?qū)懭胱仪稀Ｒ粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)的3.5寸硬盤(pán)盤(pán)面通常有幾百到幾千條磁道卖词。磁道是“看”不見(jiàn)的，只是盤(pán)面上以特殊形式磁化了的一些磁化區(qū)贰您，在磁盤(pán)格式化時(shí)就已規(guī)劃完畢坏平。

3拢操、柱面

所有盤(pán)面上的同一磁道構(gòu)成一個(gè)圓柱，通常稱(chēng)做柱面（Cylinder）舶替，每個(gè)圓柱上的磁頭由上而下從“0”開(kāi)始編號(hào)令境。數(shù)據(jù)的讀/寫(xiě)按柱面進(jìn)行，即磁頭讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)首先在同一柱面內(nèi)從“0”磁頭開(kāi)始進(jìn)行操作顾瞪，依次向下在同一柱面的不同盤(pán)面即磁頭上進(jìn)行操作舔庶，只在同一柱面所有的磁頭全部讀/寫(xiě)完畢后磁頭才轉(zhuǎn)移到下一柱面（同心圓的再往里的柱面），因?yàn)檫x取磁頭只需通過(guò)電子切換即可陈醒，而選取柱面則必須通過(guò)機(jī)械切換惕橙。電子切換相當(dāng)快，比在機(jī)械上磁頭向鄰近磁道移動(dòng)快得多钉跷，所以弥鹦，數(shù)據(jù)的讀/寫(xiě)按柱面進(jìn)行，而不按盤(pán)面進(jìn)行爷辙。也就是說(shuō)彬坏，一個(gè)磁道寫(xiě)滿(mǎn)數(shù)據(jù)后，就在同一柱面的下一個(gè)盤(pán)面來(lái)寫(xiě)膝晾，一個(gè)柱面寫(xiě)滿(mǎn)后栓始，才移到下一個(gè)扇區(qū)開(kāi)始寫(xiě)數(shù)據(jù)。讀數(shù)據(jù)也按照這種方式進(jìn)行血当，這樣就提高了硬盤(pán)的讀/寫(xiě)效率幻赚。 一塊硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的圓柱數(shù)（或每個(gè)盤(pán)面的磁道數(shù)）既取決于每條磁道的寬窄（同樣，也與磁頭的大小有關(guān)）臊旭，也取決于定位機(jī)構(gòu)所決定的磁道間步距的大小落恼。

4、扇區(qū)

操作系統(tǒng)以扇區(qū)（Sector）形式將信息存儲(chǔ)在硬盤(pán)上巍扛，每個(gè)扇區(qū)包括512個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)和一些其他信息领跛。一個(gè)扇區(qū)有兩個(gè)主要部分：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)地點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段。

在最初的時(shí)候撤奸，將每個(gè)磁道都是分為數(shù)目相同的扇區(qū)的吠昭，扇區(qū)的數(shù)目都是由最靠近里面的磁道的扇區(qū)數(shù)來(lái)決定的。為了保證每個(gè)磁道具有固定的扇區(qū)數(shù)胧瓜，那么越往外矢棚，它的數(shù)據(jù)密度就會(huì)越低，造成磁盤(pán)空間的浪費(fèi)「現(xiàn)代大容量磁盤(pán)使用了一種稱(chēng)為多區(qū)記錄的技術(shù)蒲肋，說(shuō)白了就是利用柱面，把相鄰的幾個(gè)柱面分成一個(gè)區(qū)，（盤(pán)面上的磁道都是一個(gè)個(gè)同心圓兜粘，我們將這些同心圓分組申窘，相鄰的幾個(gè)同心圓為一組，擴(kuò)展到柱面孔轴，也是這樣分剃法。）一個(gè)區(qū)中的每個(gè)柱面中的每條磁道都有相同數(shù)量的扇區(qū)，這個(gè)扇區(qū)的數(shù)量是由該區(qū)中最里面的磁道所包含的扇區(qū)數(shù)所確定的路鹰。

磁盤(pán)操作

磁盤(pán)用讀/寫(xiě)頭來(lái)讀寫(xiě)存儲(chǔ)在磁性表面的位贷洲，而讀寫(xiě)頭連接到一個(gè)傳動(dòng)臂一端。通過(guò)沿著半徑軸前后移動(dòng)這個(gè)傳動(dòng)臂晋柱，驅(qū)動(dòng)器可以將讀/寫(xiě)頭定位到盤(pán)面上的任何磁道上优构。這樣的機(jī)械運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為尋道。

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在傳動(dòng)臂末端的讀/寫(xiě)頭在磁盤(pán)表面高度大約0.1微米處的一層薄薄的氣墊上飛翔雁竞，速度大約是80km/h钦椭。

磁盤(pán)以扇區(qū)大小的塊來(lái)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。對(duì)扇區(qū)的訪問(wèn)時(shí)間有三個(gè)主要的部分：尋道時(shí)間碑诉、旋轉(zhuǎn)時(shí)間和轉(zhuǎn)送時(shí)間玉凯。在訪問(wèn)一個(gè)磁盤(pán)扇區(qū)時(shí)，時(shí)間主要花在尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)時(shí)間联贩，而且尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)時(shí)間基本相等。

5.閃存（flash）和固態(tài)硬盤(pán)（SSD）

閃存(flash memory)是一類(lèi)非易失性存儲(chǔ)器捎拯，基于EEPROM泪幌，可以對(duì)塊的存儲(chǔ)器單元進(jìn)行擦寫(xiě)和再編程。任何閃存器件的寫(xiě)入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行署照，所以在大多數(shù)情況下祸泪，在進(jìn)行寫(xiě)操作實(shí)現(xiàn)必須先執(zhí)行擦除。閃存的存儲(chǔ)單元為三端器件建芙，與場(chǎng)效應(yīng)管有相同的名稱(chēng)：源極没隘、漏極和柵極。如下圖禁荸。

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參考資料

《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》

https://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7408047

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)

https://blog.csdn.net/weixin_41708548/article/details/103983694

https://blog.csdn.net/weixin_43590232/article/details/104854895

https://blog.csdn.net/iva_brother/article/details/80463578

https://blog.csdn.net/ccz4854/article/details/124461158

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)-cache高速緩存