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一、什么是存储器？
在计算机系统中，存储器（Memory）用于存储程序、数据、中间结果，是CPU进行计算和处理时不可或缺的组件。可以说，没有存储器，计算机就像一个没有记忆的大脑，无法执行任何复杂的任务。
故事标题：《计算机王国与它的记忆家族》
很久很久以前，在一个叫做“计算机王国”的地方，住着一位英明神武但脾气暴躁的国王——CPU陛下。他每天都在下达指令、处理事务、计算大计。可有个问题困扰了他很久：“我脑子太小了！每次办事都要等人去取东西，我等得心烦意乱！”于是，他建立了一个记忆家族，这些成员专职帮他“记住事情”和“找东西”，这就是我们说的——存储器家族。
第一层：王的贴身秘书——寄存器（Register）
寄存器是CPU陛下的贴身秘书，住在王宫（CPU核心）里，每天随侍在侧。
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它们速度最快，可以一口气说三句话；
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但它们记忆力很小，只能记一些非常重要的东西；
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比如：正在计算的数、结果、下一步指令。
CPU陛下一喊：“秘书！我刚才加了个数，结果是多少？”
寄存器立刻回答：“陛下，是42！”
CPU满意地说：“干得漂亮，来，继续下一步。”
第二层：聪明管家——Cache 高速缓存
寄存器太少了，CPU又懒得每次都跑远处找资料，于是请来了一位聪明的管家 Cache。Cache 像个内务总管，记得最多被用到的数据：
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他速度也快（虽然没秘书快）；
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他专门在后台分析 CPU 用过的资料；
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然后准备好下一次要用的内容。
比如 CPU 正在加法：
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第一次找数据去找 RAM，慢得要命；
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Cache 记住它；
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下次再要用，Cache 跑来：“陛下，这个我提前准备好了！”
于是，CPU 大喜：“有你，朕再也不用跑腿了！”
第三层：大管仓库——主存 RAM（Random Access Memory）
Cache 毕竟容量有限，CPU还需要更大的仓库，来存放程序、数据和资料。
这时，主存 RAM（随机存储器）被任命为“国家图书馆”。
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它能存下整本程序代码；
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但速度比 Cache 慢一些；
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每次 CPU 要读写它，都得花好几步时间。
不过 RAM 很听话，每次开机，它就乖乖等候差遣；但它有一个大问题：
只要王国断电，它就什么都忘了！
所以 RAM 是健忘的大仓库，白天干活，晚上失忆。
第四层：皇家档案馆——ROM 只读存储器（Read Only Memory）
怕 RAM 忘事怎么办？国王下令建造ROM（Read-Only Memory）皇家档案馆：
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它只写一次，永久保存；
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存的内容是“皇家法典”——比如开机指令、BIOS程序；
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即使世界末日（断电）也不会忘。
ROM 记性超好，毕竟写死了。
第五层：百姓仓库——硬盘、U盘、SSD（外存）
王国还有成千上万的老百姓，他们每天写日记、存照片、记录账本。
这些东西放不进 RAM、Cache，更不进寄存器，于是他们统一保存在：
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硬盘（HDD）：老式的仓库，读写慢但便宜；
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固态硬盘（SSD）：新式仓库，速度快点儿；
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U盘、光盘：流动存储，数据搬来搬去；
这些仓库组成了外存储器系统，每天为整个王国提供“长久的记忆”。
最后的运作流程
整个王国的日常运作，是这样的：
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国王（CPU）决定处理一个任务；
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他让秘书（寄存器）准备好关键数据；
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秘书不够用，就找 Cache；
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Cache 也找不到，就去 RAM ；
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RAM 若没内容，再去硬盘取资料；
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如果是最初启动，ROM 提供法典（BIOS）指导大家开始工作。
总结：记忆家族的大事记
| 层级 | 成员 | 位置 | 特点 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 寄存器 | CPU 内部 | 速度最快，容量最小 | 临时变量，指令操作数 |
| 2 | Cache | CPU 旁 | 快速缓冲，预测性高 | 提高访问效率 |
| 3 | 主存（RAM） | 内存条 | 大容量，易失性 | 程序和数据的主阵地 |
| 4 | ROM | 主板上 | 小容量，非易失性 | 固化指令，如 BIOS |
| 5 | 外存（硬盘、U盘） | 主机外部 | 最慢，容量最大 | 长期存储，用户资料 |
二、存储器的主要作用
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保存程序代码（如操作系统、应用软件）
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保存数据（输入数据、运算结果、中间变量）
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支持CPU与外设之间的信息交换
三、存储器的分类
计算机中的存储器按不同维度可以进行多种分类：
1. 按存储器所在层级分类（层次结构）
现代计算机系统采用多层次存储结构，从速度快、容量小、价格高到速度慢、容量大、价格低逐级展开。
| 层级 | 名称 | 特点 |
|---|---|---|
| 寄存器（Register） | CPU 内部 | 速度最快、容量最小、访问时间 1 个 CPU 周期 |
| 高速缓存（Cache） | CPU 内部/外部 | 较快，容量适中，用于存放最近或常用数据 |
| 主存储器（Main Memory） | RAM/ROM | 程序运行时的主要存储空间 |
| 辅助存储器（Secondary Storage） | 硬盘、固态硬盘 | 容量大、速度慢、价格低，永久保存 |
| 外存储器（External Storage） | U盘、光盘等 | 便携，通常用于数据交换或备份 |
2. 按读写方式分类
| 类型 | 描述 | 举例 |
|---|---|---|
| 随机存取存储器（RAM） | 任意位置可读写，断电数据丢失 | DRAM、SRAM |
| 只读存储器（ROM） | 通常只能读，掉电不丢失 | ROM、EPROM、EEPROM、Flash |
🔹 RAM（Random Access Memory）
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易失性存储器（断电数据丢失）
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包括：
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SRAM（静态 RAM）：速度快，成本高，常用于 Cache
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DRAM（动态 RAM）：容量大，速度慢，常用于主存（如 DDR4）
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🔹 ROM（Read Only Memory）
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非易失性存储器（断电数据保留）
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包括：
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MROM：掩膜只读，出厂即写入，无法更改
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EPROM：紫外线擦除可重写
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EEPROM：电擦除可重写
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Flash：快速擦除，广泛用于固态硬盘、BIOS 等
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3. 按信息是否可变分类
| 分类 | 描述 | 举例 |
|---|---|---|
| 易失性存储器 | 断电后数据丢失 | RAM |
| 非易失性存储器 | 断电后数据保留 | ROM、Flash、硬盘 |
4. 按存取方式分类
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| 随机存取（Random Access） | 任意地址可直接访问，访问时间恒定 |
| 顺序存取（Sequential Access） | 必须按顺序读取，速度慢，如磁带 |
| 直接存取（Direct Access） | 先定位再读取，如硬盘 |
四、主流存储器技术比较
| 特性 | SRAM（Static RAM） | DRAM（Dynamic RAM） | Flash | HDD |
|---|---|---|---|---|
| 速度 | 极快 | 较快 | 中等 | 较慢 |
| 是否掉电保存 | 否 | 否 | 是 | 是 |
| 成本 | 高 | 中等 | 低 | 很低 |
| 用途 | Cache | 主存 | BIOS、SSD | 辅存 |
五、存储器在计算机中的工作流程简述
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程序从硬盘载入主存（RAM）
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CPU 执行程序时，将部分数据装入 Cache
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如果数据不在 Cache，就去主存查找
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执行完毕的结果可以写回主存或保存到硬盘
这种“热数据上层、冷数据下层”的设计，就是存储器层次结构的核心。
六、常见误区澄清
| 误区 | 正确解释 |
|---|---|
| ROM 不能写 | 多数 ROM（如 EEPROM、Flash）可多次写入 |
| RAM 就是主存 | 实际上主存是 DRAM 的一种实现 |
| 主存不影响速度 | 主存速度与 CPU 配合程度对性能影响极大 |
| Cache 无需配置 | Cache 的大小和策略影响程序效率明显 |
存储器性能指标
在看存储器性能指标之前我们可以学习一些预备知识，加快我们理解一些指标的意义和来源
最重要的是：存储容量
存储容量：存储器能够存放的二进制位数的综合
存储容量 = 存储字长 * 字长
其中：存储字长表示存储器地址空间的大小，即存储器的存储单元数目
字长即存储字长，表示一次存储操作的二进制数据位数