计算机存储知识科普

——计算机，我的理解，就是一种用于数据（信息）处理的机器，它的功能实现过程完全可以概括为：数据（信息）输入，数据（信息）处理，数据（信息）输出。

数据（信息）需要存储。那数据是怎么存储的？对于我们而言，所谓的数据的外在表现形式有文字，图像，声音等等。但计算机其实就是一个机器，它不可能直接去存储这些抽象的东西。所以，它采用了一种粗暴有效的方式来进行存储。

计算机都有内存条，家用普通的内存条有2GB,4GB,8GB,16GB等。内存条一般由芯片，电路板，金手指，电阻等构成。其中，内部芯片是核心组成元件，其内包含了上亿个电子元器件，它们很小，达到了纳米级别。这些元器件，有两种状态，通电和断电，通电是高电平(5V)，用1来表示，断电是低电平(0V)，用0来表示。所以，一个电子元器件正好对应之前所说的一位，即[0,1]。我们可以通过电路来控制这些元器件的通断电，那么就可以得到很多0、1状态的组合，以此来保存数据。

内存条主要用于存放计算机工作过程中的运算数据，包括从外部存储器中读取数据或者接受来自CPU的计算数据等。内存的特点是存取速率快。我们平常使用的程序，一般都是安装在硬盘等外存上的，但真正打开使用的时候，必须将数据调入内存中进行计算运行。（我们平时打字或玩游戏，其实都是在内存中进行的。）内存就是暂时存储程序以及数据的地方，如果想要断电后依然保存数据，需要将数据存入硬（磁）盘。

内存工作原理（以下来自于百度知道）1.内存寻址 首先，内存从CPU获得查找某个数据的指令，然后再找出存取资料的位置时（这个动作称为“寻址”），它先定出横坐标（也就是“列地址”）再定出纵坐标（也就是“行地址”），这就好像在地图上画个十字标记一样，非常准确地定出这个地方。对于电脑系统而言，找出这个地方时还必须确定是否位置正确，因此电脑还必须判读该地址的信号，横坐标有横坐标的信号（也就是RAS信号，Row Address Strobe）纵坐标有纵坐标的信号（也就是CAS信号，Column Address Strobe），最后再进行读或写的动作。 2.内存传输 为了储存资料，或者是从内存内部读取资料，CPU都会为这些读取或写入的资料编上地址（也就是我们所说的十字寻址方式），这个时候，CPU会通过地址总线（Address Bus）将地址送到内存，然后数据总线（Data Bus）就会把对应的正确数据送往微处理器，传回去给CPU使用。 3.存取时间 存取时间，指的是CPU读或写内存内资料的过程时间，也称为总线循环（bus cycle）。以读取为例，从CPU发出指令给内存时，便会要求内存取用特定地址的特定资料，内存响应CPU后便会将CPU所需要的资料送给CPU，一直到CPU收到数据为止，便成为一个读取的流程。因此，这整个过程简单地说便是CPU给出读取指令，内存回复指令，并丢出资料给CPU的过程。我们常说的6ns（纳秒，秒－9）就是指上述的过程所花费的时间，而ns便是计算运算过程的时间单位。我们平时习惯用存取时间的倒数来表示速度，比如6ns的内存实际频率为1／6ns＝166MHz（如果是DDR就标DDR333，DDR2就标DDR2 667）。

科普：内存和随机存储器RAM相对应，而ROM（只读内存器，一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器）对应电脑的外存（硬盘）。

计算机的外存包括硬盘，光盘，光驱，软盘等等。一般主要是指硬（磁）盘。它们都可以保存数据，断电后不丢失。工作原理这里不赘述。

寄存器是CPU的组成部分（如通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器等），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。它是一个有限存储容量的高速存储部件，可用来暂存指令、数据和位址（其实寄存器就是一种常用的时序逻辑电路，但这种时序逻辑电路只包含存储电路。寄存器的存储电路是由锁存器或触发器构成的，因为一个锁存器或触发器能存储1位二进制数，所以由N个锁存器或触发器可以构成N位寄存器)。其存储容量远远小于内存，但是运行速度远远强于内存。

缓存器其实也是属于CPU的，是用于减少处理器访问内存所需平均时间的部件。因为CPU存取数据的速度非常快，而内存相对就慢很多，这样整体拖慢了CPU运行速度。而缓存器的缓存速度可以接近处理器的频率，其将内存中被CPU访问最频繁的数据和指令复制进来，CPU取数据时，可以直接去缓存中取。其在金字塔式存储体系中位于自顶向下的第二层，仅次于CPU寄存器。

基本工作流程：当处理器发出内存访问请求时，会先查看缓存内是否有请求数据。如果存在（命中），则不经访问内存直接返回该数据；如果不存在（失效），则要先把内存中的相应数据载入缓存，再将其返回处理器。

缓存之所以有效，主要是因为程序运行时对内存的访问呈现局部性（Locality）特征。这种局部性既包括空间局部性（Spatial Locality），也包括时间局部性（Temporal Locality）。有效利用这种局部性，缓存可以达到极高的命中率。

按照数据读取顺序和与CPU结合的紧密程度，CPU缓存可以分为一级缓存，二级缓存，部分高端CPU还具有三级缓存，每一级缓存中所储存的全部数据都是下一级缓存的一部分，这三种缓存的技术难度和制造成本是相对递减的，所以其容量也是相对递增的。当CPU要读取一个数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有找到再从二级缓存中查找，如果还是没有就从三级缓存或内存中查找。一般来说，每级缓存的命中率大概都在80%左右，也就是说全部数据量的80%都可以在一级缓存中找到，只剩下20%的总数据量才需要从二级缓存、三级缓存或内存中读取，由此可见一级缓存是整个CPU缓存架构中最为重要的部分。（以上大多数来自百度百科）