存储器的层次化结构

计算机存储设备可被粗略分为内存储器（Main Memory）与外存储器（External Memory）两大类，内存存取速度快，但容量小，价格昂贵，而且不能长期保存数据，在不通电情况下数据会消失；外存储器存取速度相对较慢，却可以吃持久化存储。如果进行更加细致地划分，每个计算机系统中的存储设备都被组织成了一个存储器层次结构，在这个层次结构中，从上至下，设备变得访问速度越来越慢、容量越来越大，并且每字节的造价也越来越便宜。

最上层的是寄存器，存取时间极快，但容量小。其次是高速缓存，存取时间次之，容量比寄存器大一些。再往下就是我们常见的内存、硬盘，存取速度递减，但容量越来越大。CPU 在访问数据时，数据一般在相邻两层之间复制传送，且总是从慢速存储器复制到快速存储器，通过这种方式保证 CPU 的速度和存储器的速度相匹配。寄存器的存取时间在 1ns 级别，存储容量小于 1KB，可看做就是 L1 的高速缓存。L1 等高速缓存的存取时间在 2ns 级别，存储容量为 4MB；L1 是 L2 的高速缓存，L2 是 L3 的高速缓存，L3 是主存的高速缓存。主存的存取时间在 10ns 级别，存储容量目前在 GB 级别；主存又是磁盘的高速缓存。磁盘的存取速度在 10ms 级别，存储容量可达 TB 级别，在某些具有分布式文件系统的网络系统中，本地磁盘就是存储在其他系统中磁盘上的数据的高速缓存。

CPU 仅可以直接从位于处理器芯片上的高速缓存中直接获取指令和数据。必须从主系统内存（随机存取内存或 RAM）中加载缓存。但是，RAM 仅在通电时才保留其内容，因此需要存储在更永久的存储器中。

了解内存层次结构的重点是速度和大小之间的权衡－内存越快，内存越小：

• 空间局部性（Spatial locality）表明，块内的数据可能会一起访问。
• 时间位置（Temporal locality）表明最近使用的数据可能很快会再次使用。

这意味着，通过在实际中尽可能快地实现存储相关信息（空间）小块的快速可访问存储器（时间），可以获得好处。

主存

主存是一个临时存储设备，在处理器执行程序时，用来存放程序和程序处理的数据。从物理上来说，主存是由一组动态随机存取存储器（DRAM）芯片组成的。从逻辑上来说，存储器是一个线性的字节数组，每个字节都有其唯一的地址（即数组索引），这些地址是从零开始的。一般来说，组成程序的每条机器指令都由不同数量的字节构成。

现代 DRAM 的结构和存取原理比较复杂，这里抽象出一个十分简单的存取模型来说明 DRAM 的工作原理。从抽象角度看，主存是一系列的存储单元组成的矩阵，每个存储单元存储固定大小的数据。每个存储单元有唯一的地址，现代主存的编址规则比较复杂，这里将其简化成一个二维地址：通过一个行地址和一个列地址可以唯一定位到一个存储单元。

当系统需要读取主存时，则将地址信号放到地址总线上传给主存，主存读到地址信号后，解析信号并定位到指定存储单元，然后将此存储单元数据放到数据总线上，供其它部件读取。写主存的过程类似，系统将要写入单元地址和数据分别放在地址总线和数据总线上，主存读取两个总线的内容，做相应的写操作。这里可以看出，主存存取的时间仅与存取次数呈线性关系，因为不存在机械操作，两次存取的数据的“距离”不会对时间有任何影响，例如，先取 A0 再取 A1 和先取 A0 再取 D3 的时间消耗是一样的。

寄存器与高速缓存

寄存器文件在层次结构中位于最顶部，也就是第 0 级或记为 L0。一个典型的寄存器文件只存储几百字节的信息，而主存里可存放几十亿字节。然而，处理器从寄存器文件中读数据的速度比从主存中读取几乎要快 100 倍。针对这种处理器与主存之间的差异，系统设计者采用了更小、更快的存储设备，即高速缓存存储器（简称高速缓存），作为暂时的集结区域，用来存放处理器近期可能会需要的信息。

L1 和 L2 高速缓存是用一种叫做静态随机访问存储器（SRAM）的硬件技术实现的。比较新的、处理能力更强大的系统甚至有三级高速缓存：L1、L2 和 L3。系统可以获得一个很大的存储器，同时访问速度也很快，原因是利用了高速缓存的局部性原理，即程序具有访问局部区域里的数据和代码的趋势。通过让高速缓存里存放可能经常访问的数据的方法，大部分的存储器操作都能在快速的高速缓存中完成。

块设备与磁盘

块设备将信息存储在固定大小的块中，每个块都有自己的地址。对操作系统而言，块设备是以字符设备的外观展现的，例如 /dev/sda，虽然对这种字符设备可以按照字节为单位访问，但是实际上到块设备上却是以块为单位（最小 512byte，即一个扇区），这之间的转换是由操作系统来实现的。下面介绍几个块设备的基本概念：

• 扇区：磁盘盘片上的扇形区域，逻辑化数据，方便管理磁盘空间，是硬件设备数据传送的基本单位，一般 512Byte；

• 块：块是 VFS 和文件系统数据传送的基本单位，必须是扇区的整数倍，格式化文件系统时，可以指定块大小（一般 512,1024,2048,4096 字节）；

• 段：一个内存页或者内存页中的一部分，包含一些相邻磁盘扇区中的数据；磁盘的每个 IO 操作就是在磁盘与一些 RAM 单元之间相互传一些相邻扇区的内容，大多数情况下，磁盘控制器采用 DMA 方式进行数据传送。如果不同的段在 RAM 中相应的页框是连续的并且在磁盘上相应的数据块也是相邻的，就可以在通用块层合并它们，产生更大的内存区域，这个区域称为物理段。

通常情况下，我们是通过文件系统来访问块设备，也可以直接使用裸设备，通过指定偏移和大小来读写裸设备。常见的块存储设备就是物理磁盘，磁盘是一种直接存取的存储设备 (DASD)；它是以存取时间变化不大为特征的。可以直接存取任何字符组，且容量大、速度较其它外存设备更快。在 Linux 系统下，还提供基于其他块设备之上的逻辑设备，如 Device Mapper，软 RAID 等。

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