4.1　存储器的层次结构

本节概览：先建立「存储器的层次结构」的框架，再依次展开下列小节。

1. 多层结构的存储器系统
2. 主存储器与寄存器
3. 高速缓存和磁盘缓存

通用计算机存储层次至少三级：CPU寄存器、主存、辅存。

高档机可细分为六层：寄存器、高速缓存、主存、磁盘缓存、固定磁盘、可移动介质。

可执行存储器

在计算机系统的存储层次中，寄存器和主存储器又被称为可执行存储器。对于存放于其中的信息，与存放于辅存中的信息相比较而言，计算机所采用的访问机制是不同的，所需耗费的时间也是不同的。进程可以在很少的时钟周期内使用一条load或store指令对可执行存储器进行访问。 对于不同层次的存储介质，由操作系统进行统一管理。

操作系统的存储管理负责对可执行存储器的分配、回收以及提供在存储层次间数据移动的管理机制。而设备和文件管理则根据用户的需求，提供对辅存的管理机制。

主存即内存，保存进程运行时的程序和数据，属可执行存储器。

主存访问速度远低于CPU，故引入寄存器与高速缓存以缓和速度矛盾。

寄存器与处理机同速，访问最快但价格昂贵，容量有限。

微机和大中型机有数十至数百个寄存器，字长32或64位；小型嵌入式仅几个到十几个，字长常为8位。

高速缓存介于寄存器与主存之间，备份主存常用数据，减少CPU访存次数。

容量从几十KB到几MB，比内存小两三个数量级，速度快于主存。访问时若命中缓存则直接取用，避免访问主存。

磁盘缓存

由于目前磁盘的I/O速度远低于对主存的访问速度，为了缓和两者之间在速度上的不匹配，而设置了磁盘缓存，主要用于暂时存放频繁使用的一部分磁盘数据和信息，以减少访问磁盘的次数。但磁盘缓存与高速缓存不同，它本身并不是一种实际存在的存储器，而是利用主存中的部分存储空间暂时存放从磁盘中读出(或写入)的信息。

主存也可以看作是辅存的高速缓存，因为，辅存中的数据必须复制到主存方能使用，反之，数据也必须先存在主存中，才能输出到辅存。