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前言 一个计算机包含多种存储器比如寄存器、高速缓存、内存、硬盘、光盘等为啥有这么多种存储方式对于不太了解的人总是觉得云里雾里的搞不明白原因。 计算机主要的功能就是运算cpu但是要完成一个任务就要读取运算指令并将结果输出给用户因此指令的存储、运算过程中中间状态的存储、结果的保存等都需要存储器。
第一代计算机接收指令是通过读取穿孔卡片来实现的这个穿孔卡片就可以理解为最老的用来存储命令的存储器。
理想状态下存储器的执行速度应该快过计算机的运算速度这样才可以最大化的利用cpu的计算能力。比如cpu的运算速度是每秒100条指令但是如果存储器的速度是每秒最多能读取10条指令那么cpu就有90%的时间是等待指令 这样的存储器是有的那就是寄存器寄存器是和cpu同样材质制作的速度和cpu一样快当然价格也就和cpu一样了。
但是如果一台计算机存储器都是寄存器的话那造出来的计算机肯定就是天价了普通人都买不起。计算机的设计着综合读写速度空间大小产品价格等因素采用了分层结构来实现取了一个性价比最好的方案。
分层结构
如下所示顶层的存储器寄存器读写速度较高但是空间较小。底层的读写比如硬盘速度较低但是空间较大。
寄存器和cpu速度相当空间比较小在kb级别。
高速缓存比寄存器要慢1倍左右但是空间可以达到MB级别。
内存比缓存要慢10倍左右但是空间可以达到GB级别当前个人电脑一般都不小于4G
硬盘这个速度更慢比内存要慢上万被千万被级别但是价格也比较偏移空间也很大。
其他存储光盘软盘usb外接的其他存储器作为硬盘的一个补充有便于携带的优点 总结计算机的存储设计的这么复杂并不是设计者故意要搞得麻烦而是要兼顾性能和价格综合考量的一个因素如果未来有一个存储产品能达到当前寄存器的读取性能而又可以做的空间极大并且价格和硬盘一样或者说比硬盘还便宜且数据是掉电不丢失的话那么计算机的存储结构肯定就被简化了直接就只有一个存储器。 小贴士现在买电脑时存储器上大家主要关注在了 内存大小和硬盘大小但是从分层结构图上可以看出缓存大小更加重要当然如果厂商公布寄存器大小的话这个也要关注。
寄存器
寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域用来暂时存放参与运算的数据和运算结果寄存器虽然也能存储数据但同内存等存储器相比寄存器又有自己独有的用途其主要是CPU对内存中的数据进行处理时往往先把数据取到寄存器中而后再作处理加快直接同内存读取指令和读写数据的速度。
高速缓存
高速缓冲存储器是存在于内存与CPU之间的存储器容量比较小但速度比内存高得多 接近于CPU的速度。高速缓存是是加速读取速度的一个桥梁工具。CPU向内存读取数据时首先查询缓存区是否有对应数据如果有则直接读取没有再从内存中读取。高速缓存中存储的都是内存中的数据这部分数据是cpu访问比较频繁的部分。
系统也会动态管理缓存中的数据如果有数据访问频率降低到一定值就从缓存中移除而将内存中访问更加频发的数据替换进去。高速缓存可以不只一级可以有多级缓存区
内存
这个才是计算机运行过程中的存储主力用于存储 指令编译好的代码段运行中的各个静态动态临时变量外部文件的指针等等。
前面提到的寄存器和高速缓存只是加速存储速度的中间部件原始运行文件肯定都是先加入到内存中的因此内存的大小决定了一个可运行程序的最大大小。
举例如果内存大小是4G一个程序装入内存需要大于4G空间的话改程序是无法运行的当然实际是还要去掉操作系统占用的内存因此连4G都无法满足的。当然现在有了虚拟内存也就是将硬盘的一部分映射为内存空间将不经常访问的指令放到虚拟内存中这样其实是支持大于4G的程序的这里只是在假设没有虚拟内存的情况下的举例说明。
硬盘
硬盘这个东西大家应该都比较熟悉其优点是空间大价格便宜并且掉电数据不丢失。常常用来存储需要永久存储的文件。
