简述计算机存储的层次结构（计算机存储体系结构中的分层思维）

计算机的存储系统存在一个层次结构。通过「成本、访问时间、处理效率」等条件来区分这个结构。下面我们通过访问时间排序，罗列一下：

1、寄存器：访问速度最快的设备，执行指令和计算，位于 CPU 内部；

2、高速缓存存储器：访问速度仅次于寄存器，用来暂时存放主存的数据和指令，位于 CPU 内部；

3、主存储器：简称主存，就是常说的「内存条」，访问速度较快，用来存储程序和数据，位于主板；

4、磁盘：包含（硬盘、固态硬盘、光盘），用来长期存放数据，访问速度最慢，位于计算机内部。

我们来分别介绍一下这些存储器：

寄存器

寄存器是计算机内部的小型存储区域，它们位于 CPU 内部，用来保存最常用的数据和指令。可以将寄存器想象成计算机的临时记忆盒子，它们非常小但速度非常快。

常见的寄存器类型包括数据寄存器（存储数据值）、地址寄存器（存储内存地址）、累加器（用于执行算术操作）、状态寄存器（存储特定条件的状态标志）和程序计数器（存储当前指令的地址）等等。

不过寄存器数量有限，通常只有几十到几百个，也不能容纳大量的数据。当 CPU 执行复杂计算时，需要频繁的从主存储器中读取数据和指令，而对于寄存器来讲，主存储器访问速度较慢，这会导致数据传输浪费时间。

高速缓存存储器

从整体性能考虑，在 CPU 内部增加了一层快速访问存储器，可以暂时保存主存储器的数据和指令。

高速缓存存储器是计算机系统中的一种硬件组件，通常是集成在CPU（中央处理器）内部或者与CPU 芯片在同一芯片上的特殊存储器单元。

高速缓存存储器采用特殊的芯片技术和设计策略，使得它能够在极短的时间内响应 CPU 的访问请求。它通常分为多个层次（如L1、L2、L3 Cache），每个层次之间根据容量和访问速度的需求进行优化。

高速缓存存储器的容量比寄存器大，但比主存储器小，它采用特殊的缓存算法，根据数据的访问频率和局部性原理来决定哪些数据应该被缓存。

高速缓存存储器的引入是为了缓解 CPU 与主存储器之间的速度瓶颈，提高计算机系统的整体性能和效率。

主存储器

有了高速缓存存储器还是不够用，虽然速度挺快，但空间太小了。所以，又增加了主存存储器（内存条），它是计算机内部数据传输和处理的关键部分，它直接影响计算机性能和运行效率。

它安装在主板的内存插槽中，空间大，效率高，是计算机用来临时存储的区域，暂时存放正在运行的命令、数据和指令，相当于计算机的大脑。

主存储器的大小通常决定了计算机的性能和多任务处理能力。

以上三种数据执行和存储都有一个非常大的缺陷「断电后数据丢失」，因此需要将重要数据保存在磁盘（例如硬盘）中。

磁盘（硬盘、固态硬盘、光盘）

磁盘通常指硬盘，也称为硬盘驱动器，用来长期存储数据和程序，主要特点是容量大、稳定可靠，断电后，数据不会丢失，不过它的缺点是「读写速度慢」。

硬盘的容量通常以 GB（千兆字节）或 TB（万亿字节）为单位，从几十 GB 到几 TB 不等。硬盘安装在计算机的机箱中，通过数据线和电源线与主板连接。

整个类比过程相当于：寄存器就是在书桌上放着最常用的笔一样方便，高速缓存存储器就像书桌抽屉里我们正在用的笔和书本，内存就相当于我们的书架上的很多书和资料，而磁盘就是学校的图书室、资料室一样。

文章内容排序是根据存储设备的访问时间成本从高到低排列，越靠前的存储设备访问速度越快，但成本也越高；越靠后的存储设备访问速度越慢，但成本也较低。

在计算机的存储系统中，根据数据的访问频率和优先级，会将数据存放在不同的存储设备中，以实现高效的数据访问和处理。

题图生成：Pixabay
内容优化：ChatGPT
内容来源：《深入理解计算机系统》

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