1. 存儲器的定義與作用
存儲器是計算機系統中用于存儲程序、數據和中間結果的硬件設備，是計算機五大核心部件之一。
- 核心功能：
- 提供數據的 臨時或永久存儲 能力。
- 支持CPU按需快速存取指令和數據，是程序運行的物理基礎。
2. 存儲器的分類
(1) 按存取方式分類
- 隨機存取存儲器（RAM）：
- 可讀可寫，斷電后數據丟失（易失性）。
- 包括 DRAM（動態RAM，如DDR內存） 和 SRAM（靜態RAM，如CPU緩存）。
- 只讀存儲器（ROM）：
- 通常只讀，斷電后數據保留（非易失性）。
- 包括 Mask ROM、PROM、EPROM、EEPROM 及現代 Flash存儲器（如SSD）。
(2) 按用途分類
- 主存儲器（內存）：
- 直接與CPU交互，存儲當前運行的程序和數據（如DRAM）。
- 輔助存儲器（外存）：
- 長期保存數據，速度較慢（如硬盤、SSD、光盤）。
- 高速緩存（Cache）：
- 位于CPU內部或附近，加速CPU對高頻數據的訪問（如L1/L2/L3緩存）。
(3) 按存儲介質分類
- 半導體存儲器：RAM、ROM、Flash。
- 磁存儲器：硬盤、磁帶。
- 光存儲器：CD、DVD、藍光。
3. 存儲器的層次結構
計算機系統采用 多級存儲體系，平衡速度、容量與成本：
- 寄存器：位于CPU內部，速度最快，容量最小（納秒級訪問）。
- 高速緩存（Cache）：SRAM實現，容量KBMB級，訪問時間110ns。
- 主存（內存）：DRAM實現，容量GB級，訪問時間10~100ns。
- 輔存（外存）：硬盤/SSD，容量TB級，訪問時間ms級。
設計目標：通過層次化設計，使系統整體接近最高層速度，同時擁有最底層容量。
4. 主存儲器的組成與工作原理
(1) 主存的基本結構
- 存儲體：由存儲單元（如1字節）組成的矩陣，每個單元有唯一地址。
- 地址寄存器（MAR）：存放CPU訪問的存儲單元地址。
- 數據寄存器（MDR）：暫存從存儲單元讀取或寫入的數據。
- 讀寫控制電路：根據CPU命令控制數據的輸入/輸出。
(2) 讀寫過程
- 讀操作：
- CPU將地址送入MAR。
- 控制電路選中對應存儲單元，數據傳入MDR。
- CPU從MDR讀取數據。
- 寫操作：
- CPU將地址送入MAR，數據送入MDR。
- 控制電路將MDR數據寫入對應存儲單元。
5. 存儲器的性能指標
- 容量：可存儲的二進制位數（如8GB內存）。
- 存取時間（Access Time）：從發出讀寫命令到完成操作的時間。
- 存取周期（Cycle Time）：連續兩次獨立存取操作的最小間隔時間（存取時間+恢復時間）。
- 帶寬（Bandwidth）：單位時間傳輸的數據量（如DDR4-3200帶寬25.6GB/s）。
- 功耗：動態功耗（讀寫時）與靜態功耗（待機時）。
6. 高速緩存（Cache）的工作原理
(1) 緩存的作用
利用 局部性原理（時間局部性+空間局部性），將CPU近期可能訪問的數據從主存復制到緩存，減少訪問主存次數。
(2) 緩存映射方式
- 直接映射：主存塊固定映射到緩存的某一位置，沖突率高但實現簡單。
- 全相聯映射：主存塊可映射到緩存任意位置，沖突率低但查找復雜。
- 組相聯映射：緩存分組，主存塊映射到特定組內的任意行（如4路組相聯）。
(3) 替換算法
- 先進先出（FIFO）：替換最早進入的塊。
- 最近最少使用（LRU）：替換最久未被訪問的塊。
- 隨機替換（Random）：隨機選擇替換目標。
7. 輔助存儲器的典型技術
- 機械硬盤（HDD）：
- 通過磁頭在旋轉磁盤上讀寫數據。
- 容量大、成本低，但速度慢（尋道時間+旋轉延遲）。
- 固態硬盤（SSD）：
- 基于NAND Flash芯片，無機械部件，速度快、抗震動。
- 壽命受限于擦寫次數（P/E Cycle），需磨損均衡算法。
- 光盤：
- 利用激光讀寫（如CD-ROM、DVD-RW），適合長期存檔。
8. 新型存儲器技術
- 3D NAND Flash：通過堆疊存儲單元提升容量（如176層堆疊技術）。
- 相變存儲器（PCM）：利用材料相變特性實現高速非易失存儲。
- 磁性存儲器（MRAM）：結合磁阻效應，兼具高速與非易失性。
- 存算一體（In-Memory Computing）：在存儲器內部直接完成計算，減少數據搬運。
9. 存儲器的應用場景
- 內存數據庫（如Redis）：依賴大容量DRAM加速數據查詢。
- AI訓練：GPU顯存（如HBM2）提供高帶寬支持大規模矩陣運算。
- 嵌入式系統：NOR Flash存儲啟動代碼，SRAM作運行內存。
- 數據中心：NVMe SSD加速云存儲，磁帶庫用于冷數據備份。
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