1.4 揭开存储器的层次

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当C语言被编译后，编译的中间语言会在CPU中进行处理。按照与CPU的接近程度，存储器分为内存储器与外存储器，简称内存与外存。内存储器又常称为主存储器（简称主存），属于主机的组成部分；外存储器又称为辅助存储器（简称辅存），属于外部设备。访问CPU不能像访问内存那样直接访问外存，外存要与CPU或I/O设备进行数据传输，必须通过内存进行。现在的PC中还配置了高速缓冲存储器（chache），这时内存包括主存与高速缓存两部分。

为了兼顾存储容量和存储速度，当前计算机几乎毫无例外地采用了图1-3所示的层次式存储结构。

在图1-3中，以处理器为中心，计算机系统的存储依次为寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘缓存、磁盘和可移动存储介质等7个层次。距离处理器越近的存储工作速度越高，容量越小。其中，寄存器、高速缓存、主存储器为操作系统存储管理的管辖范围，磁盘和可移动存储介质属于操作系统设备管理的管辖范围。

凡是属于操作系统存储管理范围的存储装置，其共同特点是在系统掉电之后，它们所存储的信息会丢失殆尽，属于可挥发性存储装置。而属于操作系统管理范围的存储装置，则可以永久保存存储的信息，属于非挥发性存储装置。

磁盘缓存本身并不是一种实际存在的存储介质，它依托于固定磁盘，主要用来提供对主存储器的扩充。

寄存器在物理上与处理器的运算控制部分同在一个芯片上，它们与运算部分的距离最近，访问速度也最高，但其容量也因此不会太大。所以，它们主要被用来暂存一些中间数据或控制用的特殊数据，而不能存放像程序之类的大批数据。

主存储器用来存放程序和程序运行所需的数据。一个计算机系统必须有足够大的主存储器，其容量是衡量一个计算机系统性能的指标之一。由于主存储器的访问速度远低于寄存器，所以，为了加快访问速度，计算机系统常常在主存储器和寄存器之间配置高速缓存，以存放处理器当前常用的程序模块和数据。

之所以把存储器分为几个层次，主要是基于如下三点原因。

（1）合理解决速度与成本的矛盾，以得到较高的性能价格比。半导体存储器速度快，但价格高，容量不宜做得很大，因此，仅用作与CPU频繁交流信息的内存储器。磁盘存储器价格较便宜，可以把容量做得很大，但存取速度较慢，因此，用作存取次数较少，且需存放大量程序、原始数据（许多程序和数据是暂时不参加运算的）和运行结果的外存储器。计算机在执行某项任务时，仅将与此有关的程序和原始数据从磁盘上调入容量较小的内存，通过CPU与内存进行高速的数据处理，然后将最终结果通过内存再写入磁盘。这样的配置价格适中，综合存取速度较快。

（2）为解决高速的CPU与速度相对较慢的主存的矛盾，还可使用高速缓存。它采用速度快、价格更高的半导体静态存储器，甚至与微处理器做在一起，存放当前使用最频繁的指令和数据。当CPU从内存中读取指令与数据时，将同时访问高速缓存与主存。如果所需内容在高速缓存中，就能立即获取；如没有，再从主存中读取。高速缓存中的内容是根据实际情况及时更换的。这样，通过增加少量成本即可获得很高的速度。

（3）使用磁盘作为外存，不仅价格便宜，可以把存储容量做得很大，而且在断电时它所存放的信息也不丢失，可以长久保存，且复制、携带都很方便。