計算機存儲層次（Memory hierarchy）

存儲層次是在計算機體系結(jié)構(gòu)下存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的排列順序。 每一層于下一層相比 都擁有 較高的速度 和 較低延遲性 ，以及 較小的容量 （也有少量例外，如AMD早期的Duron CPU）。大部分現(xiàn)今的中央處理器的速度都非常的快。大部分程序工作量需要存儲器存取。由于高速緩存的效率和存儲器傳輸位于層次結(jié)構(gòu)中的不同等級，所以實際上會限制處理的速度，導致中央處理器花費大量的時間等待存儲器I/O完成工作。

大部分電腦中的存儲層次如下四層：

1. 寄存器 ：可能是最快的存取。在32位處理器，每個寄存器就是32位。x86處理器共有16個寄存器。

2. 高速緩存 Cache （L1-L3：SRAM、L4：DRAM）

   • 第一級高速緩存（L1）–通常存取只需要幾個周期，通常是幾十個KB。

   • 第二級高速緩存（L2）–比L1約有2到10倍較高延遲性，通常是幾百個KB或更多。

   • 第三級高速緩存（L3）–比L2更高的延遲性，通常有數(shù)MB之大。

   • 第四級高速緩存（L4）（不一定有）–CPU外部的DRAM，但速度較主存高。

3. 主存（DRAM） ： 存取需要幾百個周期，可以大到數(shù)十GB。

4. 磁盤存儲 ：需要成千上萬個周期，容量非常大。

存儲器的種類很多，按其用途可分為主存儲器和輔助存儲器，主存儲器又稱內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存），輔助存儲器又稱外存儲器（簡稱外存）。內(nèi)存儲器最突出的特點是存取速度快，但是容量小、價格貴；外存儲器的特點是容量大、價格低，但是存取速度慢。內(nèi)存儲器用于存放那些立即要用的程序和數(shù)據(jù)；外存儲器用于存放暫時不用的程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存儲器和外存儲器之間常常頻繁地交換信息。

內(nèi)存（memory）

內(nèi)存在電腦中起著舉足輕重的作用。內(nèi)存一般采用半導體存儲單元，包括隨機存儲器（RAM），只讀存儲器（ROM），以及高速緩存（CACHE）。

內(nèi)存可分為 易失性存儲器 和 非易失性存儲器 兩類，前者在掉電后會失去記憶的數(shù)據(jù)，后者即使在切斷電源也可以保持數(shù)據(jù)。

RAM（Random Access Memory）

RAM，即Random Access Memory 隨機存儲內(nèi)存 。 RAM 是與CPU直接交換數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲器，也叫主存(內(nèi)存) 。另外，一些變量，都是放到RAM里的。這種存儲器在斷電時將丟失其存儲內(nèi)容，故主要用于存儲短時間使用的程序。

之所以叫做“隨機存取”，是因為相對于早期現(xiàn)行存儲媒介（磁帶？很久以前的）而言，因為磁帶的存取是線性的，存取時間由目前磁帶位置和目的位置的距離而定（類似數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的線性表）。需要轉(zhuǎn)動刺頭到應有的位置，因此距離越長，轉(zhuǎn)的就越久了，讀寫時間也越久。而偉大的RAM沒有這種限制，存取時間為固定值（類似數(shù)組這種下表式訪問，下標就是地址），不會因為存儲資料在memory中的位置而影響讀取時間。

RAM大致可以分為兩種：SRAM與DRAM，這兩者基本原理上有相同的地方，都是將電荷存儲到記憶體內(nèi)部，由此針對不同的電荷存儲0 or 1。

• SRAM靜態(tài)存儲器（Static Random Access Memory,SRAM）利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來保存信息
• DRAM動態(tài)存儲器（Dynamic Random Access Memory）, 利用MOS電容存儲電荷來儲存信息。因此必須通過不停的給電容充電來維持信息，所以DRAM 的成本、集成度、功耗等明顯優(yōu)于SRAM。

SRAM 和 DRAM 有幾點不同：SRAM的結(jié)構(gòu)比較復雜，單位面積的容量少，存取速度很快；DRAM則結(jié)構(gòu)簡單，單位面積存儲的容量比較多，存取時間相對SRAM慢，同時 DRAM 因為構(gòu)造比較簡單，存儲的電荷會隨著時間逐漸消失，因此 需要定時再充電 （Refresh），以保持電容存儲的資料。

由圖中的SRAM和DRAM構(gòu)造可以知道， SRAM采用正反三極管+電容（flip-flop）構(gòu)造存儲器 ， DRAM則是采用電容式存儲 。因為SRAM和DRAM的種種特性上的不同， SRAM比較適合作為Cache ，配合CPU快速存取使用， DRAM則適合作為主存而使用 。

ROM（Read Only Memory）

ROM：只讀存儲器。在制造ROM的時候，信息（數(shù)據(jù)或程序）就被存入并永久保存。這些信息只能讀出，一般不能寫入，即使機器掉電，這些數(shù)據(jù)也不會丟失。 ROM一般用于存放計算機的基本程序和數(shù)據(jù)，如BIOS ROM 。ROM所存數(shù)據(jù)，一般是裝入整機前事先寫好的，整機工作過程中只能讀出，而不像隨機存儲器那樣能快速地、方便地加以改寫。ROM所存數(shù)據(jù)穩(wěn)定，斷電后所存數(shù)據(jù)也不會改變，其物理外形一般是雙列直插式（DIP）的集成塊。

總的來說，ROM是在RAM的缺點下發(fā)展而來的，由于RAM掉電會丟數(shù)據(jù)，所以人們考慮要把一些數(shù)據(jù)永久存起來，于是有了ROM，只能讀不能寫（比如計算機BIOS）。后來又發(fā)現(xiàn)ROM里的程序有時候需要改一改，于是又發(fā)展出可以寫入新數(shù)據(jù)的ROM，如EPROM、EEPROM、Flash等。 雖然已經(jīng)違背了ROM的本意——只能讀不能寫，但出于歷史原因，總體上還是稱為ROM 。

現(xiàn)如今已經(jīng)不能簡單的把一個存儲器說成是RAM或ROM，如電腦里的內(nèi)存條是內(nèi)存，有易失性，可讀可寫（RAM的特性）；移動硬盤是外存，有非易失性（ROM的特性），可讀可寫（RAM的特性）。U盤是外存，有非易失性，可讀可寫。

目前ROM已經(jīng)基本采用EEPROM 和 Flash ROM作為存儲介質(zhì)。常用的FLASH存儲器主要包括NAND Flash和NOR Flash。它們在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性能特點和應用領域上有所不同。

1. NAND Flash：

   Nand Flash 中的 Nand的意思是 Not AND（與非門），意思就是該 Flash 的基礎單元就是 與非門，如下所示：

   

   • 結(jié)構(gòu)：NAND Flash存儲器采用并行結(jié)構(gòu)，將存儲單元組織為存儲單元陣列，每個存儲單元陣列包含多個頁，每頁包含多個塊，每塊包含多個扇區(qū)。這種結(jié)構(gòu)使得NAND Flash具有較高的存儲密度。
   • 特點：
     • 高存儲密度：NAND Flash的存儲密度通常比NOR Flash更高，適用于存儲大容量的數(shù)據(jù)。
     • 快速讀取速度：NAND Flash具有較快的讀取速度，適用于快速讀取大量數(shù)據(jù)的應用。
     • 擦寫耗時較長：NAND Flash的擦寫操作需要較長時間，通常 以塊為單位進行擦除 。
     • 適用于存儲應用：由于高存儲密度和較低的成本，NAND Flash 廣泛應用于大容量存儲設備 ，如固態(tài)硬盤（SSD）、USB閃存驅(qū)動器和存儲卡等。

2. NOR Flash：

   Nor Flash 中的 Nor的意思是 Not OR（或非門），意思就是該 Flash 的基礎單元就是 或非門，如下所示：

   

   • 結(jié)構(gòu)：NOR Flash存儲器采用并行結(jié)構(gòu)，將存儲單元組織為存儲單元陣列，每個存儲單元陣列包含多個塊，每個塊包含多個扇區(qū)。這種結(jié)構(gòu)使得NOR Flash具有較快的讀取速度和較低的訪問延遲。
   • 特點：
     • 快速讀取速度：NOR Flash具有較快的讀取速度和較低的訪問延遲，適用于需要快速隨機訪問的應用。
     • 擦寫操作較快：NOR Flash的擦寫操作相對較快， 可以按字節(jié)或按扇區(qū)進行擦除 。
     • 存儲密度較低：NOR Flash的存儲密度相對較低，適用于存儲小容量的代碼和程序。
     • 適用于代碼執(zhí)行：由于較快的讀取速度和隨機訪問能力，NOR Flash 廣泛用于嵌入式系統(tǒng)中存儲代碼、固件和啟動程序 等。

Flash ROM（Flash Read-Only Memory）和EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）都是非易失性存儲器，但它們在工作原理和應用方面存在一些區(qū)別。

1. 擦除和編程方式：

   • Flash ROM：Flash ROM的擦除操作是以塊為單位進行的，通常需要較長的時間。編程操作可以在單個字節(jié)或更小的存儲單元上進行。
   • EEPROM：EEPROM可以以字節(jié)為單位進行擦除和編程。相比之下，EEPROM的擦除和編程操作更加靈活和精細。

2. 存儲密度：

   • Flash ROM：Flash ROM具有較高的存儲密度，可以容納大量的數(shù)據(jù)。這使得它在存儲大容量程序、固件和數(shù)據(jù)時非常有用。
   • EEPROM：EEPROM的存儲密度相對較低，通常適用于存儲較小量的數(shù)據(jù)，如配置信息、用戶數(shù)據(jù)等。

3. 擦除速度：

   • Flash ROM：Flash ROM的擦除速度相對較慢，通常以塊為單位進行擦除，需要較長的時間。
   • EEPROM：EEPROM的擦除速度相對較快，可以以字節(jié)為單位進行擦除，因此可以更快地執(zhí)行擦除操作。

4. 應用領域：

   • Flash ROM：Flash ROM廣泛應用于固件存儲、BIOS存儲、固定數(shù)據(jù)存儲等需要大容量和快速訪問的應用中。
   • EEPROM：EEPROM常用于存儲小容量的配置信息、校準數(shù)據(jù)、用戶設置等需要頻繁修改和維護的數(shù)據(jù)。

高速緩存（Cache）

Cache：高速緩沖存儲器，也是我們經(jīng)常遇到的概念，它位于CPU與內(nèi)存之間，是一個讀寫速度比內(nèi)存更快的存儲器。 當CPU向內(nèi)存中寫入或讀出數(shù)據(jù)時，這個數(shù)據(jù)也被存儲進高速緩沖存儲器中 。 當CPU再次需要這些數(shù)據(jù)時，CPU就從高速緩沖存儲器讀取數(shù)據(jù)，而不是訪問較慢的內(nèi)存 ，當然，如需要的數(shù)據(jù)在Cache中沒有，CPU會再去讀取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。

RAM和ROM的區(qū)別

一般來說會比較難以理解RAM與ROM和平時所說的運行內(nèi)存和硬盤容量有什么關(guān)系，其實從一般意義上來說是一樣的，但從計算機和手機的角度來說又有一些區(qū)別：

從電腦來說一般比較好理解，RAM就是我們平時所說的運行內(nèi)存，它的確是隨時可讀寫的。因為CPU處理的數(shù)據(jù)都是以運行內(nèi)存為中介的。斷電后信息是不保存的。

那么對于ROM來說，是不是就是硬盤呢？不是說ROM只可以讀嗎？硬盤卻是可以修改的。的確，必須明確一點， RAM與ROM都是內(nèi)存 ，而 硬盤是外存 ，所以ROM不等于硬盤。計算機中的ROM主要是用來存儲一些系統(tǒng)信息，或者啟動程序BIOS程序，這些都是非常重要的，只可以讀一般不能修改，斷電也不會消失。

RAM和ROM相比，兩者的最大區(qū)別是RAM在斷電以后保存在上面的數(shù)據(jù)會自動消失，而ROM不會自動消失，可以長時間斷電保存。

在手機里面，RAM就是跟電腦一樣的運行內(nèi)存一樣；而ROM就跟硬盤掛上鉤了，手機中的ROM有一部分用來存儲系統(tǒng)信息，還有一些裝機軟件，剩余的大部分容量都是就是拿來作為硬盤用的，可讀可寫。

外存（secondary storage）/輔存（auxiliary storage）

外存和輔存表示的是同一含義，都是現(xiàn)在計算機系統(tǒng)中用于長期存儲數(shù)據(jù)和文件的存儲介質(zhì)。 外存中的數(shù)據(jù)需要先從外存加載到內(nèi)存中，然后才能被CPU讀取和處理 。

外存/輔存與內(nèi)存的區(qū)別是很大的，主要有：

• 訪問速度和延遲：
  • 內(nèi)存：內(nèi)存（主存儲器）的訪問速度非?？?，CPU可以在幾個納秒的時間內(nèi)讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。它具有低延遲和高帶寬，適合存儲正在執(zhí)行的程序和臨時數(shù)據(jù)。
  • 外存：外存（輔助存儲器）的訪問速度較慢，通常以毫秒級別的時間來衡量。與內(nèi)存相比，外存的訪問延遲較高，需要更多的時間來讀取和寫入數(shù)據(jù)。
• 成本/容量：
  • 內(nèi)存：內(nèi)存相對較昂貴，其成本較高。由于內(nèi)存的高速和性能優(yōu)勢，它是計算機系統(tǒng)中重要的組成部分，但存儲容量有限，且成本較高。
  • 外存：外存的成本相對較低，比內(nèi)存更具經(jīng)濟性。外存的存儲容量通常比內(nèi)存大得多，可以容納大量的數(shù)據(jù)，適合用于長期存儲和數(shù)據(jù)備份。
• 持久性：
  • 內(nèi)存：內(nèi)存是一種易失性存儲器，意味著當計算機斷電時，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)將會丟失。內(nèi)存中的數(shù)據(jù)需要定期保存到外存或其他非易失性存儲介質(zhì)中，以防止數(shù)據(jù)丟失。
  • 外存：外存是一種非易失性存儲器，它可以持久地保存數(shù)據(jù)。即使在斷電情況下，外存中的數(shù)據(jù)也能夠保持不變。

另外需要注意的是，由于單片機是SOC，其內(nèi)部已經(jīng)把CPU、存儲器、I/O設備集成到了一塊小芯片上。單片機的內(nèi)存包括程序存儲器（通常是閃存或EEPROM）和數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。程序存儲器用于存儲單片機的程序代碼，而數(shù)據(jù)存儲器用于存儲程序執(zhí)行期間的變量和數(shù)據(jù)。

磁盤存儲

• 磁盤是由盤片(platter)構(gòu)成的；
• 每個盤片如同切西瓜一樣被“切”成一塊一塊的扇面，同時沿著半徑的方向被劃分成了一組同心圓叫磁道(track)；
• 每條磁道被扇面切成很多的扇形區(qū)域叫做扇區(qū)(sector), 扇區(qū)是從磁盤讀出和寫入信息的最小單位，包含相等數(shù)量的數(shù)據(jù)位，通常為512字節(jié);
• 不同盤片相同半徑的磁道所組成的圓柱稱為柱面(cylinder)。

磁盤的容量： 磁頭數(shù) × 磁道數(shù) × 每道扇區(qū)數(shù) × 每扇區(qū)字節(jié)數(shù)

固態(tài)硬盤

固態(tài)硬盤(Solid State Disk, SSD)，由一個或多個閃存芯片和閃存翻譯層(flash translation layer)組成。

• 閃存芯片存儲內(nèi)容。
• 閃存翻譯層對邏輯塊的請求翻譯成對底層物理設備的訪問。

目前根據(jù)密度差異閃存顆粒會主要分為SLC、MLC、TLC、QLC、PLC（未面世）五種類型：

SLC（Single-Level Cell）

又稱為單層式儲存 ，即每單元存儲可1bit信息（1bit/cell）。一個蘿卜一個坑的存儲容量，這也意味著采用SLC顆粒的SSD容量注定不會太大，但除了這個“缺憾”之外，SLC的其他方面則要更加優(yōu)于其他類型的閃存顆粒。

SLC的擦寫壽命是5種顆粒中最長的，能夠達到約10萬次。另外SLC也是五種顆粒類型中讀寫速度最快、讀寫數(shù)據(jù)最精確、質(zhì)量最好同時造價也是最貴的顆粒，目前基本上只用于企業(yè)級高端固態(tài)硬盤中，也有極少部分高端消費級SSD在使用。

MLC（Multi-Level Cell）

又稱為雙層式儲存 ，即每單元存儲可2bit信息（2bit/cell）。兩個蘿卜一個坑的存儲容量，只能說比SLC好一點，但成本相對于SLC要大大降低。

但MLC的擦寫壽命要比SLC差不少，僅能夠達到約1萬次。且相較于SLC，MLC的讀寫速度、質(zhì)量、精確度都次于SLC，成本也要遠高于除SLC以外的其他顆粒，價格昂貴，目前多用于工業(yè)存儲中，不過隨著技術(shù)和消費水平的提升也有一些品牌會使用MLC到消費類產(chǎn)品上。

TLC（Trinary-Level Cell）

又稱為三層式儲存 ，即每單元存儲可3bit信息（3bit/cell）。到此可以看出這五種閃存顆粒每單元可存儲的信息是層層遞進的，都是在上一個的基礎上+1bit信息，容量越來越大。

TLC是目前最常見到的閃存顆粒，應用非常廣泛，其擦寫壽命能夠達到約1000次。雖然在數(shù)據(jù)上，TLC的讀寫速度、顆粒質(zhì)量以及壽命都不及SLC和MLC，但其成本要低得多，如果作為日常使用其實能完全滿足普通消費者的需求。目前TLC多用于市面上的中高端SSD中，比較受主流SSD的青睞。

QLC（Quad-Level Cell）

又稱為四層式儲存 ，即每單元存儲可4bit信息（4bit/cell）。其擦寫壽命最短，僅能夠達到150次，但存儲密度最大、成本也最低，優(yōu)勢還是很明顯的。目前主要被低端大容量的SSD使用，能夠為大容量的SSD帶來更長的使用壽命，足以供給一些消費者日常使用。

PLC（Penta-level cell）

又稱為五層式儲存 ，即每單元存儲可5bit信息（5bit/cell）。該閃存顆粒目前還沒有正式產(chǎn)品發(fā)布，但有希望在未來的幾年內(nèi)問世，相信能夠為SSD產(chǎn)品帶來更大的存儲空間和單元存儲更低的成本。不過PLC的推廣將很大受限于它的速度和壽命，還需進一步了解。

根據(jù)上述內(nèi)容可將閃存顆粒按照數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、速度以及價格排序為SLC＞MLC＞TLC＞QLC＞PLC，容量則相反SLC＜MLC＜TLC＜QLC＜PLC。就目前來說主流消費級SSD品牌都在使用的是TLC閃存顆粒，雖然速度和壽命上不及使用SLC和MLC顆粒的SSD，但如果搭配上優(yōu)秀的主控以及高速接口，表現(xiàn)還是不俗的，再加上3D NAND技術(shù)讓存儲單元立體化，讓閃存顆粒容量倍增，降低了存儲成本也讓擦寫壽命大大延長，可以說運用了3D NAND技術(shù)的3D TLC顆粒實現(xiàn)了性能躍進。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-523364.html

參考文獻

1. 必知必會-存儲器層次結(jié)構(gòu) - 知乎
2. 內(nèi)存層次結(jié)構(gòu) - 維基百科
3. 內(nèi)存，RAM，ROM，Cache的區(qū)別與聯(lián)系_memorypageo.rom:orgin=0c00h.length 1000hpaoej??_一只青木呀的博客-CSDN博客
4. 6 存儲器層次結(jié)構(gòu)
5. What is Cache Memory? Cache Memory in Computers, Explained
6. 存儲器分類 - 簡書
7. 圖解RAM結(jié)構(gòu)和原理 - 知乎
8. 【嵌入式基礎小知識】Nand Flash VS Nor Flash_機器靈魂注入師的博客-CSDN博客
9. 存儲顆粒：SLC、MLC、TLC、QLC、PLC有什么區(qū)別？-中關(guān)村在線

到了這里，關(guān)于計算機存儲層次及常用存儲簡介的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！