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计算机组成与体系结构：存储器（Memory）

news 来源：原创 2025/7/27 2:36:36

📁 当你打开一个文件，计算机会做什么？

⚡ 越大的 memory，访问速度越快吗？

🧠 那么，我们是怎么设计存储器的呢？

Primary Memory（主存）登场！

DRAM（动态随机存取存储器）

SRAM（静态随机存取存储器）

Primary Memory 的典型工作流程

Secondary Memory（二级存储）

Secondary Memory 的典型设备

Secondary Memory 的访问方式

为什么访问速度比主存慢？

CPU 怎么访问存储器？

第一步：🔍 CPU 优先找 Cache

第二步：🚪Cache 没有怎么办？去找主存（Main Memory）

第三步：📂主存也没有怎么办？去找 Secondary Memory（二级存储）

📁 当你打开一个文件，计算机会做什么？

想象一下你在电脑里打开一个视频。点开那一刻，计算机会做什么？

本质上，你的电脑要找到那个视频文件，读出数据，传给CPU解码和播放。所以最初的问题是：

“数据文件存在哪儿？我怎么能快速拿到它？”

从第一性原理来看，数据存储的本质就是：把信息（0 和 1）稳定地放在某种介质上，等需要时再读回来。最原始的存储方式是磁带、磁盘（比如硬盘），它们可以存很多东西，但读取速度很慢。这就产生了我们第一个认知冲突：

⚡ 越大的 memory，访问速度越快吗？

❓“既然硬盘能存几TB，为什么不让 CPU 直接用硬盘？”是不是 memory 越大，access time 越小？

从第一性原理看，这是不可能的。

物理规律告诉我们：想要更大容量，通常要放更多单元；更多单元意味着更远的距离或更复杂的电路，于是速度慢。
相反，越快的存储，通常是物理结构更简单、距离更短，但这意味着空间小而昂贵。

因此，memory 越大，access time 通常是越长的，这也是计算机设计里非常关键的一个矛盾点。

同时，CPU频率越高，反而效率低。这是因为：

CPU完成任务太快，其他设备（比如内存、硬盘）跟不上，导致CPU大多数时间都在“等”数据，反而没干活。

🧠 那么，我们是怎么设计存储器的呢？

我们来看看“打开文件”这个例子里 memory 的角色。

🪨 最开始：Second Memory（二级存储）

你的视频文件被保存在硬盘或 **固态硬盘（SSD）**里，这是所谓的：

Secondary Memory（二级存储）

当你打开一个文件，操作系统先从 Second Memory 读入文件内容。

这时，问题来了：

“如果每次都直接从硬盘里读数据，会不会太慢了？”

答案是：是的，真的太慢了！

于是我们就需要更快的地方来放这个数据，让 CPU 能快速用 —— 这就引出了：Primary Memory（主存）

Primary Memory（主存）登场！

这个名字不是随便起的。

“Primary” 表示**“第一位”**、“主要的”。
它是 CPU 访问的第一存储层次，是直接和 CPU 通信的数据源头。
与之相对的是 Secondary Memory，它不直接参与程序运行，只负责长期存储。

这就是我们常说的 RAM 随机存取存储器（Random Access Memory），计算机运行程序和数据的主战场。

特点：速度比硬盘快很多，电一断就全没了
存储的不是全部数据，而是当前“正在用”的部分
CPU 可以在任意时间，直接访问内存中的任意一个位置，访问速度都差不多，不用排队、也不用顺序读。(Random）

当你点开文件时，系统会把文件从硬盘读到主存中，再由 CPU 来使用主存中的数据。

那么主存又是怎么实现的呢？

DRAM（动态随机存取存储器）

全称：Dynamic Random Access Memory

为什么叫“动态”？

因为它存储 0 或 1 用的是一个小电容器（像一个蓄水池），电荷会自动泄漏，所以必须定时刷新——这就是“动态”的来源。

⚙️ 构造和工作原理：

一个 bit 是由一个电容 + 一个晶体管构成。
电容充电为 1，不充为 0。
由于电会漏掉，所以需要周期性刷新（refresh）。

✅ 优点：

结构简单，单个单元非常小，所以可以做到容量大。
成本相对较低。

❌ 缺点：

需要刷新，速度比 SRAM 慢。
不适合频繁读写的小数据块操作。

所以主要用于主内存（RAM），这就是我们电脑中内存条（比如 8GB、16GB DDR4）的核心技术。

SRAM（静态随机存取存储器）

全称：Static Random Access Memory

为什么叫“静态”？

因为它一旦写入了 0 或 1，就能一直保持状态，不需要像 DRAM 那样不断刷新。

⚙️ 构造和工作原理：

用 6 个晶体管做成一个稳定电路，可以记住一个 bit。
不靠电容，不存在漏电问题。

✅ 优点：

速度极快，不需要刷新。
稳定可靠，适合高速缓存使用。

❌ 缺点：

结构复杂，占用空间大。
造价高，不适合做大容量。

这就是为什么它被用在 CPU 内部的 Cache（L1/L2/L3）里，作为 Primary Memory 的一部分，但仅用于极高频的操作。

Primary Memory 的典型工作流程

我们还是用“打开视频文件”的例子：

你打开视频，系统从硬盘读取数据。
把数据放到主存（DRAM）里，这是 Primary Memory。
CPU 从 DRAM 中拿数据。
如果有些数据频繁访问，就会被自动缓存进 SRAM Cache 中，加速下一次访问。

所以 Primary Memory 的核心角色是：

“给 CPU 准备好、随时能用的数据区”

它不管文件长存在哪里（那是硬盘的事），也不管最重要的数据被缓存在哪里（那是 Cache 的事），它就是中间的“主力军”，连接了 CPU 和磁盘。

Secondary Memory（二级存储）

我们先想象一个常见的场景：

你正在写文档，突然断电了，电脑重启之后，什么都没保存下来……

为什么会这样？

因为你写的内容暂时保存在了 Primary Memory（主存）中，一旦断电就全丢了。

这暴露了一个主存（比如 DRAM）天生的缺陷：

它是“易失性”的（Volatile）—— 电一断，数据就没了。

从第一性原理看：

我们要有一种不依赖持续供电也能保持数据状态的存储方式。
同时还希望能存储很多很多数据（整个系统的照片、文档、视频等）。

于是，工程师们设计出了一个新的存储层级：二级存储

名字的由来：

“Secondary” 表示它在访问顺序中不是第一优先级，但仍然是不可或缺的一层。
它与主存不同，不直接和 CPU 通信，而是通过操作系统调度参与。

Secondary Memory 的定义：

用于长期保存数据、非易失性的存储设备，如硬盘、固态硬盘、U盘等。

问题	谁来解决？	原因
数据必须长期保存	Secondary Memory	主存断电就丢
主存太贵，容量不够	Secondary Memory	容量更大，成本低
启动电脑，数据要从哪来？	Secondary Memory	包含系统、程序、文件等

Secondary Memory 的典型设备

HDD（硬盘，Hard Disk Drive）：
- 利用磁性材料记录 0/1。
- 机械臂读写，容量大，成本低。
- 速度慢，易受震动影响。
SSD（固态硬盘，Solid State Drive）：
- 用闪存（Flash memory）技术存储。
- 没有机械结构，速度快。
- 成本比 HDD 高，但在逐渐取代 HDD。
USB闪存盘、SD卡等：
- 同样基于 Flash。
- 容量适中，便于移动。
光盘（CD/DVD）：
- 现在较少用，但依然是 Secondary Memory 一种。

Secondary Memory 的访问方式

因为它不直接和 CPU 通信，所以它的访问方式如下：

当你打开一个程序（比如 Word），操作系统会：
- 从 Secondary Memory（比如硬盘）中读取程序代码。
- 把它加载进 Primary Memory（RAM）中。
CPU 接下来只和 RAM 打交道，不直接操作硬盘。
如果程序需要读取更多数据（如打开一个大视频），操作系统会按需从 Secondary Memory 再取一部分放进 RAM。

为什么访问速度比主存慢？

从第一性原理看：

Secondary Memory 关注的是容量大、存储持久，因此使用的技术（磁盘或 Flash）不以“纳秒级速度”设计。
而 Primary Memory 是 CPU 的直接数据供应商，强调的是极致速度和响应时间。
所以，在物理结构、材料、功耗策略上，二者天生差异巨大。

CPU 怎么访问存储器？

当 CPU 想要读取一份数据（比如一个文档、一张图片）时，它到底去哪找？

第一步：🔍 CPU 优先找 Cache

为什么？

CPU 是整个计算机系统中最快的“执行者”。它的速度非常快，思考的速度以纳秒计（十亿分之一秒），所以它不能等。

从第一性原理看：

既然 CPU 不能等，那我们就必须把最可能被用到的数据，提前放到离它最近的位置。

这个“最近的地方”就是 —— Cache（高速缓存）

第二步：🚪Cache 没有怎么办？去找主存（Main Memory）

如果 Cache 里没有数据（称为Cache Miss），那就只能去下一个层级——主存。

主存就是我们平时说的 “内存条” 所代表的空间，最常见的类型是 DRAM（动态随机访问内存）。

为什么要有主存？

从根本上看：

Cache 太贵，容量太小，放不了太多东西。
所以我们用主存作为一个容量更大、但速度稍慢的临时存放空间。

你可以把主存理解为一个大一点的书桌，虽然离 CPU 稍远一点，但可以放下更多的数据和程序。

第三步：📂主存也没有怎么办？去找 Secondary Memory（二级存储）

有些情况更极端，比如：

你打开电脑上一个几 GB 的视频，但内存已经快满了……

这时候，主存也放不下更多东西了，怎么办？

系统就会启动“调页机制”（paging）——
把不常用的数据“换出去”，放回二级存储，比如你的硬盘或固态硬盘（SSD）。

当你又需要这些数据时，系统会：

从二级存储里读取一页（page）数据，
放进主存，
然后由主存再传给 Cache，最后到 CPU。

访问层级	设备	特征	发生的典型情况
第1层	Cache	非常小、极快	CPU 正常工作中优先访问
第2层	Main Memory（主存）	较大、速度一般	Cache Miss，程序运行中频繁读取数据
第3层	Secondary Memory（二级存储）	非易失、容量大、速度最慢	程序刚打开，或主存不够时加载数据

因此，CPU 并不是直接访问硬盘，而是：

Cache → RAM（DRAM）→ 硬盘（Secondary Memory）

你可以把它比喻为：

Cache 是你手边的便利贴；
主存是你办公桌上的文档堆；
硬盘是你办公室角落的文件柜；

计算机组成与体系结构：存储器（Memory）

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