计算机的存储器介绍
前言
在计算机组成原理中的众多概念中，开发者接触得最多的还是内存、硬盘、虚拟内存、CPU 缓存这些概念。这些概念有一个更为抽象的表示 —— 存储器，它是冯 · 诺依曼计算机体系中的五大组件之一，用于存储程序和数据。
在这个系列中，我将从存储器的金字塔结构展开，围绕 CPU 高速缓存、内存、硬盘、虚拟内存等内容逐步带你深入理解计算机中。
学习路线图：
1. 局部性原理
局部性原理是用于制定存储器系统数据管理策略的一个理论基础，我们可以分为 2 个维度来理解：
- 1、时间局部性（Temporal Locality）： 时间局部性表示一个指令或数据被访问过后，在短时间内有很大概率会再次访问。例如，在程序中的一些函数、循环语句或者变量往往会在短时间内被多次调用；
- 2、空间局部性（Spatial Locality）： 空间局部性表示一个指令或数据被访问过之后，与它相邻地址的数据有很大概率也会被访问。例如，在程序中访问了数据的首项元素之后，往往也会访问继续后续的元素。
在计算机组成原理中，很多策略中都会体现到局部性原理，我们在学习中可以有意识地关联起来。例如在管理 CPU 高速缓存时，除了可以将当前正在访问的内存数据加到到缓存中，还可以把相邻内存的数据一并缓存起来（即 CPU 缓存行），也能够提高缓存命中率。
2. 认识存储器系统
2.1 为什么存储器系统要分层？
小伙伴们应该都知道内存和硬盘都是存储器设备。其实，在 CPU 内部中的寄存器和 CPU L1/L2/L3 缓存也同样是存储设备，而且它们的访问速度比内存和硬盘快几个数量级。那么，为什么要使用内存和硬盘，直接扩大 CPU 的存储能力不行吗？这就要提到存储器的 3 个主要的性能指标：速度 + 容量 + 每位价格。
一般来说，存储器的容量越大则速度越低，速度越高则价格越高。想要获得一个同时满足容量大、速度高且价格低的 “神奇存储器” 是很难实现的。因此，现代计算机系统会采用分层架构，以满足整个系统在容量、速度和价格上最大的性价比。
2.2 存储器的层次结构
在现代计算机系统中，一般采用 “CPU 寄存器 - CPU 高速缓存 - 内存 - 硬盘” 四级存储器结构。自上而下容量逐渐增大，速度逐渐减慢，单位价格也逐渐降低。
- 1、CPU 寄存器： 存储 CPU 正在使用的数据或指令。寄存器是最靠近 CPU 控制器和运算器的存储器，它的速度最快；
- 2、CPU 高速缓存： 存储 CPU 近期要用到的数据和指令。CPU 高速缓存是位于 CPU 和内存中间的一层缓存。缓存和内存之间的数据调动是由硬件自动完成的，对上层是完全透明的。
- 3、内存： 存储正在运行或者将要运行的程序和数据；
- 4、硬盘： 存储暂时不使用或者不能直接使用的程序和数据。硬盘主要解决存储器系统容量不足的问题，硬盘的速度虽然比内存慢，但硬盘的容量可以比内存大很多，而且断电不丢失数据。
存储器金字塔
在此基础上，对各个层级上进行局部优化，就形成了完整的存储器系统：
- 优化 1 - CPU 三级缓存： 在 CPU Cache 的概念刚出现时，CPU 和内存之间只有一个缓存，随着芯片集成密度的提高，现代的 CPU Cache 已经普遍采用 L1/L2/L3 多级缓存的结构来改善性能；
- 优化 2 - 虚拟内存： 程序不能直接访问物理地址，而是访问虚拟地址，虚拟地址需要经过地址变换（Address Translation）才能映射到存放数据的物理地址；
- 优化 3 - 页缓存： 为了提高读写效率和保护磁盘，操作系统在文件系统中使用了页缓存机制。
2.3 为什么在 CPU 和内存之间增加高速缓存？
我认为有 2 个原因：
- 原因 1 - 弥补 CPU 和内存的速度差（主要）： 由于 CPU 和内存的速度差距太大，为了拉平两者的速度差，现代计算机会在两者之间插入一块速度比内存更快的高速缓存。只要将近期 CPU 要用的信息调入缓存，CPU 便可以直接从缓存中获取信息，从而提高访问速度；
- 原因 2 - 减少 CPU 与 I/O 设备争抢访存： 由于 CPU 和 I/O 设备会竞争同一条内存总线，有可能出现 CPU 等待 I/O 设备访存的情况。而如果 CPU 能直接从缓存中获取数据，就可以减少竞争，提高 CPU 的效率。
CPU 三级缓存
2.4 为什么要使用虚拟内存访问内存？
为了满足系统的多进程需求和大内存需求，操作系统在内存这一层级使用了虚拟内存管理。当物理内存资源不足时，操作系统会按照一定的算法将最近不常用的内存换出（Swap Out）到硬盘上，再把要访问数据从硬盘换入（Swap In）到物理内存上。至于操作系统如何管理虚拟地址和内存地址之间的关系（段式、页式、段页式），对上层应用完全透明。
虚拟内存
3. 存储器类型
这一节，我们来梳理常见的存储器类型。
