# 3.1 存储器概述

## 一、存储器的分类

### 1.1 按存储介质分类

**半导体存储器**：
- 用半导体器件存储信息
- 如：RAM、ROM、Flash
- 速度快、体积小、功耗低

**磁表面存储器**：
- 用磁性材料存储信息
- 如：硬盘、磁带
- 容量大、速度慢、成本低

**光存储器**：
- 用光学方式存储信息
- 如：CD、DVD、蓝光
- 容量大、可移动、只读或一次写入

### 1.2 按存取方式分类

**随机存取存储器（RAM）**：
- 可按地址随机存取
- 存取时间与地址无关
- 如：内存

**顺序存取存储器（SAM）**：
- 按顺序存取
- 存取时间与位置有关
- 如：磁带

**直接存取存储器（DAM）**：
- 先直接定位到某区域，再顺序存取
- 如：磁盘

**相联存储器（CAM）**：
- 按内容存取
- 如：Cache的标记存储器

### 1.3 按可改写性分类

**随机读写存储器（RWM）**：
- 可读可写
- 如：RAM

**只读存储器（ROM）**：
- 只能读，不能写
- 如：BIOS

**一次写入多次读出（WORM）**：
- 写入一次，多次读出
- 如：CD-R

**可擦写（Erasable）**：
- 可多次擦写
- 如：Flash、SSD

### 1.4 按信息的可保存性分类

**易失性存储器**：
- 断电后信息丢失
- 如：RAM

**非易失性存储器**：
- 断电后信息不丢失
- 如：ROM、Flash、硬盘

### 1.5 按在计算机中的作用分类

**主存储器（内存）**：
- CPU直接访问
- 速度快、容量小、价格高

**辅助存储器（外存）**：
- CPU不能直接访问
- 速度慢、容量大、价格低

**高速缓冲存储器（Cache）**：
- 位于CPU和主存之间
- 速度最快、容量最小

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## 二、存储器的层次结构

### 2.1 存储器层次结构的概念

**层次结构**：
- 将不同速度、容量、价格的存储器组成层次
- 达到速度、容量、价格的平衡

**金字塔结构**：
```
        ┌─────────┐
        │  寄存器  │  最快、最小、最贵
        ├─────────┤
        │  Cache  │
        ├─────────┤
        │  主存   │
        ├─────────┤
        │  外存   │  最慢、最大、最便宜
        └─────────┘
```

### 2.2 各层存储器的特点

| 层次 | 速度 | 容量 | 价格 | 技术 |
|-----|------|------|------|------|
| 寄存器 | 最快 | 最小 | 最高 | 触发器 |
| Cache | 快 | 小 | 高 | SRAM |
| 主存 | 中 | 中 | 中 | DRAM |
| 外存 | 慢 | 大 | 低 | 磁/光/Flash |

### 2.3 局部性原理

**时间局部性**：
- 最近被访问的数据，短期内可能再次被访问
- 原因：循环、子程序、变量重用

**空间局部性**：
- 最近被访问的数据，其邻近数据可能很快被访问
- 原因：顺序执行、数组访问

**应用**：
- Cache设计
- 预取技术
- 页面调度

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## 三、存储器的技术指标

### 3.1 存储容量

**定义**：
- 存储器能存储的二进制信息量

**单位**：
- 位（bit）
- 字节（Byte）
- KB、MB、GB、TB、PB

**注意**：
- 1 KB = 1024 B（计算机中）
- 1 KB = 1000 B（商业中）

### 3.2 存储速度

**存取时间（Access Time）**：
- 从启动存取操作到完成的时间
- 单位：ns

**存取周期（Memory Cycle Time）**：
- 连续两次存取操作的最小时间间隔
- 存取周期 ≥ 存取时间

**数据传输率**：
- 单位时间内传输的数据量
- 单位：MB/s、GB/s

### 3.3 可靠性

**平均故障间隔时间（MTBF）**：
- 两次故障之间的平均时间

**平均修复时间（MTTR）**：
- 修复故障的平均时间

**可用性**：
```
可用性 = MTBF / (MTBF + MTTR)
```

### 3.4 功耗

**功耗**：
- 存储器工作时的功率消耗

**功耗类型**：
- 静态功耗：维持数据所需的功耗
- 动态功耗：读写操作时的功耗

### 3.5 价格

**每位价格**：
- 存储器的总价格 / 总容量

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## 四、存储器的编址和寻址

### 4.1 存储器的编址

**编址单位**：
- 字节编址：每个字节一个地址
- 字编址：每个字一个地址

**地址空间**：
- n位地址线可寻址2^n个存储单元

### 4.2 大端和小端

**大端模式（Big-Endian）**：
- 高位字节存放在低地址
- 如：PowerPC、网络协议

**小端模式（Little-Endian）**：
- 低位字节存放在低地址
- 如：x86、ARM

**例子**：
```
数据：0x12345678

大端存储：
地址：1000  1001  1002  1003
数据： 12    34    56    78

小端存储：
地址：1000  1001  1002  1003
数据： 78    56    34    12
```

### 4.3 对齐访问

**对齐访问**：
- 数据存放在地址为数据长度整数倍的地址
- 如：4字节数据存放在4的倍数地址

**非对齐访问**：
- 数据未对齐存放
- 可能需要多次访问

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## 五、考研重点

1. **存储器的分类**：
   - 按存储介质
   - 按存取方式
   - 按可改写性
   - 按信息可保存性
   - 按在计算机中的作用

2. **存储器的层次结构**：
   - 层次结构的概念
   - 各层特点
   - 局部性原理

3. **存储器的技术指标**：
   - 存储容量
   - 存储速度
   - 可靠性
   - 功耗
   - 价格

4. **存储器的编址和寻址**：
   - 编址单位
   - 大端和小端
   - 对齐访问

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*下一节：3.2 主存储器*