计算机知识轻科普(五)内存篇

chengsenw
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计算机知识轻科普(五)内存篇

一、关于主存与内存
关于电脑的器件的命名现在已经非常复杂了，不同百科有不同的解释（例如维基百科把主存和辅存并列），关于主存与内存，严格来说这两个不能划等号，具体细究的话其实主存属于内存，常说的内存其实是主存。所以为了便于后文的介绍，我在反复查阅资料后以普遍接受的一个层级先展示一下存储器的大类细分。
存储器
内存
寄存器
缓存
主存
RAM
ROM
外存
这篇文章就暂且以这个分类来进行科普，若有争议也暂且搁置。
二、内存的作用
CPU在运行时会从存储器中调用数据，内存的存在使CPU可以快速调用需要运行的数据。CPU的数据调用顺序一般是：寄存器—高速缓存—主存—辅存，这几个存储器的速度逐渐减慢，容量逐渐增加。
三、寄存器（Register）
寄存器位于中央处理器内部，用于暂存指令、数据和地址。它在存储器层次结构中位于最顶层，速度最快，存取速度与CPU的时钟周期同步。
一个CPU会有几百个寄存器，但每个寄存器的单位都是位（bit，1B=8bit），合计不过几KB。CPU可以直接从寄存器读写数据，无需通过其它部件。
计算机知识轻科普(五)内存篇
四、高速缓冲存储器（Cache）
高速缓冲存储器，简称缓存，在存储器层次结构中位于寄存器与主存之间，采用的技术是SRAM（静态随机存取存储器），用于存储 CPU 最近使用或即将使用的数据和指令的副本。
缓存的工作原理是局部性原理，即时间局部性（如果一个数据项被访问了，它在不久的将来很可能会再次被访问）和空间局部性（如果一个数据项被访问了，它附近的内存地址中的数据项在不久的将来也可能会被访问）CPU在访问主存前会先访问缓存，若存在数据，即“命中（Hit）”，可以快速获取，若不存在，即“失效（Miss）”，则需要访问主存，并将数据载入缓存。
关于缓存，为了平衡速度、容量以及成本，也有自己的层级，称之为三级缓存：
名称
位置
特点
一级缓存(L1 Cache)
CPU核心内部
速度最快，容量为几KB-几百KB，分为指令缓存与数据缓存
二级缓存(L2 Cache)
CPU核心内部或紧邻
速度次之，容量为几百KB-几MB，通常为统一缓存（同时储存指令和数据）
三级缓存(L3 Cache)
CPU芯片内部或共享
速度最慢，容量为几MB-几十MB，通常由所有CPU核心共享
五、RAM
RAM（随机存取存储器），也就是日常所说的电脑内存。
1）特性
随机存取，意味着CPU在访问RAM时可以随意访问任何一个存储单元，所需时间与存储位置没有关系。相对的，读取的所需时间就与位置有关了。
易失性，由于RAM属于易失性存储器，当遭遇断电（关机、重启、故障）时，其存储的所有数据都会立刻消失，因此RAM仅用作临时存储。
2）类型
  1. DRAM（动态随机存取存储器）
    每个存储单元由一个晶体管和一个电容器组成，数据以电荷形式存储，由于电荷会流失，所以需要周期性的“刷新”以保持数据。结构简单，集成度高，单位容量成本低，多用于内存条。
  2. SRAM （静态随机存取存储器）
    每个存储单元由六个晶体管组成的锁存器构成，只要不断电，就能够保持数据，访问速度要快于DRAM，结构复杂，成本高，主要用于CPU内部和高速缓存。
3）性能指标
  1. 代数
    内存条使用的是SDRAM及其后续的双倍数据速率版本（DDR系列），当前主流为DDR4与DDR5，这是内存技术规格的一种表示，代数越高代表有着更先进的技术与更高的性能。
  2. 频率
    即内存的工作速度，频率越高，数据传输越快，以MHz为单位。
  3. 容量
    容量越大，能同时运行的程序就越多，系统卡顿的可能性越小，当前容量一般为8GB、16GB和32GB。
六、ROM
ROM（只读存储器），是一种在制造或写入后，数据内容难以修改或无法修改的存储芯片。由于其属于非易失性存储器，即使断电，数据和指令也会永久保留。
当前ROM的类型已经发展为Flash Memory，也就是辅存那篇文章中提到的闪存，除了在SSD与U盘，也应用在电脑的BIOS/UEFI 芯片，是现代ROM的主流形式。（由于历史原因，早期的ROM只能够读，所以叫“只读”，但伴随技术发展，闪存芯片的出现使其实现了可擦写和更新）
下一期将介绍显示器

 
chengsenw
  • 本文由 chengsenw 发表于 2026年1月3日 17:24:11
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