🗄️⚡ 计算机存储系统采用 层次化设计，平衡容量、速度与成本。

1. 存储器的分类

1.1 按层次分类

类型	特点	作用	速度/成本	示例
Cache	CPU直接访问，存放运行中的程序和数据。	缓存 CPU 频繁访问的数据/指令	速度快、容量小（KB~MB）、成本高	L1/L2/L3 Cache（CPU 内）
主存（内存）	长期存储程序和数据（如硬盘、SSD），需调入主存才能被CPU访问。	存放运行中的程序和数据，CPU 直接访问	速度中等、容量较大（GB）、成本适中	DDR4/DDR5 RAM
辅存（外存）	位于CPU和主存之间，缓存高频指令/数据。	长期存储程序和数据，需调入主存后使用	速度慢、容量大（TB）、成本低	SSD、HDD、光盘

层次关系

1.2 按存储介质分类

• 磁表面存储器：磁盘（HDD）、磁带（顺序存取）。
• 半导体存储器：
  • 易失性：DRAM（主存）、SRAM（Cache）。
  • 非易失性：Flash（SSD）、ROM（BIOS）。
• 光存储器：CD、DVD、蓝光光盘（只读或可擦写）。

1.3 按存取方式分类

类型	特点	示例
RAM	随机读写，速度快，易失性（断电数据丢失）。	DRAM（内存）、SRAM（Cache）
ROM	只读（或有限写入），非易失性，内容固化（可擦写ROM如Flash）。	BIOS ROM、CD-ROM
串行访问存储器	按顺序/直接寻址，速度慢	磁带（顺序）、磁盘（直接）

注：现代ROM（如Flash）支持电擦写，但写入速度远低于读取速度。

1.4 按信息可保存性

• 易失性：断电数据丢失（Cache、DRAM）。
• 非易失性：断电数据保留（SSD、ROM、磁盘）。

1.5 按可更改性

• 读写存储器：可反复修改（内存、SSD）。
• 只读存储器：出厂固化或有限写入（CD-ROM、BIOS）。

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2. 存储器的性能指标

2.1 存储容量

• 公式：

• • 例：1M × 8位 = 1MB（1M 地址 × 8bit 数据）。

• 单位换算：
• 1B（Byte）= 8b（bit），1KB = 1024B，1MB = 1024KB。

2.2 单位成本

 

• 例：512GB SSD 价格 300元 → 位价 ≈ 0.0000007元/bit。

2.3 存储速度

指标	定义	公式/示例
存取时间（Tₐ）	启动操作到完成的时间（读/写）	DRAM：10~50ns，SSD：0.1ms（读）
存取周期（Tₘ）	连续两次操作的最小间隔（含恢复时间 Tₘ ≥ Tₐ，DRAM因需刷新可能Tₘ=2Tₐ）	Tₘ ≥ Tₐ（DRAM Tₘ ≈ 2Tₐ）
带宽（Bₘ）	每秒传输的数据量（B/s或b/s），Bₘ = 数据宽度 / Tₘ。	DDR5-4800：38.4GB/s（64bit × 4800MHz）

 

关键点：

• 破坏性读出（如DRAM）：读取后需重写，导致Tₘ > Tₐ。
• 非破坏性读出（如SRAM）：读取不影响数据，Tₘ ≈ Tₐ。

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3. 关键对比与示例

3.1 RAM vs ROM

特性	RAM	ROM
读写能力	可读可写	只读（或有限写入）
速度	快（ns 级）	较慢（ms 级）
易失性	易失性（断电丢失）	非易失性（断电保留）
用途	运行中程序临时存储	固件、永久数据存储

3.2 存取时间 vs 存取周期

• DRAM 示例：
• 存取时间（Tₐ）= 15ns（读取数据）。
• 存取周期（Tₘ）= 30ns（含预充电时间）。
• 原因：DRAM 需刷新电容电荷，导致 Tₘ > Tₐ。

3.3 存储层次优化

• 缓存技术：用高速 Cache 减少 CPU 访问主存的延迟。
• Cache-主存层次：通过局部性原理（时间/空间局部性）减少CPU等待时间。
• 虚拟内存：用磁盘扩展主存容量（速度慢但成本低）。
• RAID技术：多磁盘并行提升存储性能与可靠性。

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4. 总结

分类维度	核心要点	典型示例
层次	Cache→主存→辅存，速度递减，容量递增	L1 Cache（1ns）、DDR5（10ns）、SSD（0.1ms）
介质	半导体（快）、磁/光（慢但便宜）	DRAM、HDD、CD-ROM
存取方式	RAM（随机）、ROM（只读）、串行（磁带/磁盘）	BIOS ROM、SATA SSD
性能指标	容量、成本、速度（带宽/延迟）	1TB SSD（500元，3GB/s）

关键结论：

1、存储层次：速度与成本的权衡，从Cache到辅存形成金字塔结构。

2、技术选择：高频数据用SRAM（Cache），主存用DRAM，永久存储用Flash/磁盘。

3、存储系统设计目标：大容量、低成本、高速度（通过层次化实现）。

4、性能瓶颈：CPU 与主存速度差（用 Cache 缓解）。

5、未来趋势：非易失性内存（如 Intel Optane）模糊主存/辅存界限。

6、关键公式：

• 带宽 = 数据宽度 / 存取周期。
• 位价 = 总成本 / 总容量。

✨ 一句话记忆：
Cache 快主存大，辅存便宜容量霸；RAM 读写 ROM 固，带宽延迟要权衡！ ✨