1.1 概述

1.1.1 儲存器分類

儲存器是計算機系統中的記憶裝置，用來存放程式和資料。隨著計算機發展，儲存器在系統中的地位越來越重要。由於超大規模積體電路的製作技術，這使計算機系統的執行速度在很大程度上受儲存器速度的制約。此外由於I/O裝置不斷增多，如果它們與儲存器交換資訊都通過CPU來實現，這將大大降低CPU的工作效率。為此，出現了I/O與儲存器的直接存取方式（DMA）,這也使儲存器的地位更為突出，尤其在多處理機的系統中，各處理機本身都需與其主存交換資訊，而且各處理機在互相通訊中，也都需共享存放在儲存器中的資料。因此，儲存器的地位就更為顯要。可見，從某種意義而言，儲存器的效能已成為計算機系統的核心。

當今，儲存器的種類繁多，從不同的角度對儲存器可作不同的分類

1.按儲存介質分類

• 儲存介質是指能寄存“0”“1”兩種程式碼並能區別兩種狀態的物質或元器件。儲存介質主要有半導體器件，磁性材料和光碟等
• 半導體儲存器
  • 儲存原件由半導體器件組成，現代半導體儲存器都用超大規模積體電路工藝製成晶片，其優點是體積小，功耗低，存取時間短。其缺點是當電源消失時，所存資訊也隨即丟失，它是一種易失性儲存器。近年來已研製出用非揮發性材料製成的半導體儲存器，克服了資訊易失的弊病。
  • 半導體儲存器又可按其材料的不同，分為雙極型（TTL）半導體儲存器和MOS半導體儲存器兩種。前者具有高速的特點；後者具有高整合度的特點，並且製造簡單，成本低廉，功耗小，故MOS半導體儲存器被廣泛應用
• 磁表面儲存器
  • 磁表面儲存器是在金屬或塑料基體的表面上塗一層磁性材料作為記錄介質，工作時磁層隨載磁體高速運轉，用磁頭在磁層上進行讀/寫操作，故稱為磁表面儲存器。按磁體形狀不同，可分為磁碟，磁帶和磁鼓。它們按其剩磁狀態不同而區分“0”或“1”，而且剩磁狀態不會輕易丟失，故這類儲存器有非易失性的特點
• 磁芯儲存器
  • 磁芯是由硬磁材料做成的環狀元件，磁芯屬於磁性材料，故它也是不易失的永久記憶儲存器。不過，磁芯儲存器的體積過大，工藝複雜，功耗太大，故逐漸被半導體儲存器取代，目前幾乎不被採用
• 光碟儲存器
  • 光碟儲存器是應用鐳射在記錄介質上進行讀/寫的儲存器，具有非易失性的特點。由於光碟記錄密度高，耐用性好，可靠性高和可互換性強等特點，光碟儲存器越來越被用於計算機系統。

2.按存取方式分類

按存取方式可把儲存器分為隨機儲存器，只讀儲存器，順序存取儲存器和直接存取儲存器。

• 隨機儲存器（RAM）
  • RAM是一種可讀/寫儲存器，其特點是儲存器的任何一個儲存單元的內容都可以隨機存取，而且存取時間與儲存單元的物理位置無關。計算機系統中的主存都採用這種隨機儲存器。由於儲存資訊原理的不同，RAM又分為靜態RAM(以觸發器原理寄存資訊)和動態RAM(以電容充放電原理寄存資訊)
• 只讀儲存器（ROM）
  • 只讀存取器是能對其儲存的內容讀出，而不能重新寫入的儲存器。因此，通常用它存放固定不變的程式，常數和漢字字型檔，甚至用於作業系統的固化。它與隨機儲存器可共同作為主存的一部分，統一構成主存的地址域
• 序列訪問儲存器
  • 對儲存單元進行讀/寫操作時，需按其物理位置的先後順序尋找地址。

3.按在計算機中的作用分類

儲存器主要分為主儲存器（主存），輔助儲存器（輔存），緩衝儲存器（快取）。

• 主存的主要特點是它可以和CPU直接交換資訊
• 輔存是主存的後援儲存器，用來存放當前暫時不用的程式和資料，它不能與CPU直接交換資訊
• 主存速度快，容量小，價格高；輔存速度慢，容量大，價格低。
• 快取用在兩個速度不同的部件中，如CPU與主存之間，起到緩衝作用

MROM:掩模型只讀儲存器

PROM:可程式設計只讀儲存器

EPROM:可擦除可程式設計只讀儲存器

EEPROM:電擦除可程式設計只讀儲存器

Flash Memory：閃速儲存器，它具有EEPROM的特點，而速度比EEPROM快的多

4.1.2 儲存器的層次結構

儲存器有3個主要效能指標：速度，容量，每位價格（位價）

實際上，儲存系統層次結構主要體現在快取-主存和主存-輔存這兩個儲存層次上

CPU和快取，主存能直接交換資訊

快取和CPU，主存能直接交換資訊

主存和快取，輔存能直接交換資訊

快取-主存層次主要解決CPU和主存速度不匹配的問題，由於快取的速度比主存的速度高，只要將CPU近期要用的資訊調入快取，CPU便可以直接從快取中獲取資訊，從而提高訪存速度。但由於快取的容量小，因此需不斷地將主存的內容調入快取，使快取中原本的資訊被替換掉。主存和快取之間的資料調動由硬體自動完成的，對程式設計師是透明的。

主存-輔存層次主要解決儲存系統的容量問題。輔存的速度比主存低，而且不能和CPU直接交換資訊，但它的容量比主存大的多，可以存放大量暫時未用到的資訊。當CPU需要時，再將輔存的內容調入主存，供CPU直接訪問。主存和輔存之間的資料調動是由硬體和作業系統共同完成的。

從CPU角度來看，快取-主存層次的速度接近於快取，高於主存；其容量和位價卻接近於主存，這從速度和成本的矛盾獲得了理想的解決辦法，主存-輔存層次，從整體分析，速度接近於主存，容量接近於輔存，平均位價也接近於低速，廉價的輔存位價，這又解決了速度，容量，成本這三者的矛盾。現代的計算機幾乎都具有這兩個儲存層次，構成了快取，主存，輔存三級儲存系統。

在主存-輔存這一層次的不斷髮展中，逐漸形成了虛擬儲存系統。在這個系統中，程式設計師程式設計的地址範圍與虛擬儲存器的地址空間相對應。例如，機器指令地址碼為24位，則虛擬儲存單元的個數可達16M.這個數比主存的實際儲存單元的個數相比要大得多，稱這類指令地址碼為虛地址（虛存地址，虛擬地址）或邏輯地址，而主存的實際地址稱為實體地址或實地址。對虛擬儲存器而言，其邏輯地址變換為實體地址的工作是由計算機系統的硬體和作業系統自動完成的，對程式設計師是透明的。當虛地址的內容在主存時，機器便可立即使用；若虛地址的內容不在主存，則必須先將此虛地址的內容傳遞到主存的合適單元后再為機器所用。