《计算机基础》存储系统

存储器概述

Storage 和 Memory 翻译成中文都有存储器的意思，但是前者通常指的是长期存储数据的组件，比如硬盘；后者通常指的是短期存储数据的组件，比如内存。

在冯诺依曼结构中，五大经典部件中的存储器应该是狭义上的存储器，实际指的是 Memory，是 CPU 可以直接寻址访问的存储空间。而 CPU 不能直接访问硬盘，需要通过 I/O 指令将数据复制到内存，因此硬盘属于 I/O 设备，被 CPU 当做外设。

而在整个存储系统中，指的是广义概念上的存储器，所有用来存储数据和指令的部件都叫存储器，包括内存、硬盘、U 盘等。

存储器技术

只读存储器 ROM (Read Only Memory)

数据事先写入后只能读取而不能改写，如计算机启动用的 BIOS 就是固化到计算机主板的 ROM 芯片上的程序

为便于使用和大批量生产，进一步发展出了可编程只读存储器（PROM）、可擦可编程序只读存储器（EPROM）和电可擦可编程只读存储器（EEPROM）等

随机存取存储器 RAM (Random Access Memory)

1. 动态随机存取存储器 DRAM (Dynamic RAM)

2. 静态随机存取存储器 SRAM (Static RAM)

快闪存储器简称闪存

闪存是一种特殊的、以宏块抹写的 EEPROM，虽然由 ROM 发展而来，但是可以读写。

U盘（USB 闪存盘）、CF卡、SM卡、SD/MMC卡、记忆棒、XD卡、MS卡、TF卡、PCIe闪存卡等都是闪存卡，外观不同，但技术原理相同。

手机的机身内存 ROM，虽然仍被叫做 ROM，但采用的是闪存技术 EEPROM ，是可以读写的，主要用来存储手机操作系统，但由于操作系统一般不会占满机身内存，留下的一部分开启了写入权限，可以像硬盘一样存储数据。

机身内存 ROM 可以简单的对应理解为计算机硬盘，手机运存 RAM 可以简单的对应理解为计算机内存条。
手机内存卡也是采用的闪存技术，用来扩展机身内存，可以归入离线存储器中。

磁盘

1. 软磁盘即软盘

2. 硬磁盘即硬盘

存储器层次

存储器的速度影响性能，存储器的容量限制运算的规模，因此人们希望存储器速度更快，容量更大，而价格更便宜，设计师们最终通过存储器层次来解决这些相互矛盾的需求。

在存储器层次中，速度最快、容量最小并且每位价格最贵的存储器处于顶层，而速度最慢、容量最大并且每位价格最便宜的存储器处于最底层。

主存储器

主存储器也叫主存、内存储器、内存，英文名有 Primary Storage 、Primary Memory 、Main Memory、Internal Memory。

它是 CPU 能直接访问的存储器，它的特点是存取速率快，但容量小，每位价格贵。

1. BIOS 芯片

   它是一个 ROM 存储器，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序（Basic Input Output System 缩写为 BIOS）、开机后自检程序和系统自启动程序

2. 寄存器（Registers）

   也称为控制存储器，用于临时存储参与运算数据。通常集成于 CPU 中，其速度是所有存储器中速度最快的。

3. 高速缓冲存储器（Cache Memory）

   简称高速缓存或直接称缓存，采用 SRAM 技术对数据进行缓冲，使得频繁使用的数据 CPU 不必每次都从内存中获取。通常集成于 CPU 中，其容量较小但是存取数据速度仅次于寄存器。

4. 大容量内存储器

   采用 DRAM 技术，用来存储运行的程序和数据，其存取数据的速度较快，存储数据的容量较大。

   内存的衡量标准主要有存储容量、存取时间、存储周期和存储器带宽四个指标。其中存储容量是一个存储器中可以容纳的存储单元总数，通常以字数或字节数作为单位；存取时间则是启动到完成一次存储器操作所经历的时间，通常以纳秒（ns）为单位；存储周期则是连续启动连词操作所需间隔的最小时间，通常以纳秒（ns）为单位；存储器带宽表示单位时间内存储器所存储的信息量大小，通常以位/秒或字节/秒为单位。后三者是其存取速度的主要衡量标准。

关于主存、内存的关系及涵盖的计算机部件范围，网上的说法非常混乱。从内存储器的概念出发，我个人更偏向于把以上几种都归为内存储器的范围，并且主存储器=内存储器，而我们平时说的内存，是特指的大容量内存储器，是一种既成事实的不严谨说法。
 
其实名词只是一种用来帮助理解事物本身的说法，关键在于理解事物本身。本部分使用的名词主要参考的是维基百科上的表述：Computer data storage 和 Talk:Computer_data_storage

二级存储器

二级存储器又叫辅助存储器、辅存、外部存储器、外存，英文名有 Secondary Storage、Auxiliary Storage、External Memory

它是 CPU 不能直接访问的存储器，它的特点是存取速率慢，但容量大，每位价格便宜。

指大容量存储设备，比如磁盘，磁盘包括硬磁盘（硬盘）和软磁盘（软盘），软盘已经被淘汰（不过一些仍在服役的老旧设备可能还在使用软盘）

三级存储器

三级存储器主要是指超大型数据存储，主要用来存放很少访问的信息，通常在使用前需要将信息复制到二级存储器。

三级存储器不需要人工干预，当计算机需要从三级存储器中读取信息时，它将首先查询目录数据库以确定哪个磁带或光盘包含该信息。接下来，计算机将指示机械臂获取介质并将其放入驱动器中。当计算机读取完信息后，机械臂会将介质返回到库中的位置。

离线存储器

离线存储器主要用于传输信息和存档。

离线存储器必须要人工插入或连接。

大多数辅助存储和三级存储的存储介质也可以用于离线存储。

信息单位

1. 比特（bit）

   亦称位、二进制位、比特位、位元，指二进制数中的一位，是计算机中信息表示的最小单位。

   习惯上以小写字母 b 表示

2. 字节（Byte）

   又称位元组，是信息的一种基本计量单位，是由连续的、固定数量的位(即比特)所组成的位串(即比特串），一般由 8 个二进制位组成，即 1 Byte = 8 bit

   以前也有过4位、6位、7位、12位或18位作为一个字节的标准，只是现代计算机的事实标准就是用 8 位来代表一个字节
   正是因为这个原因，在很多较为严谨的技术规格文献中，为了避免产生歧义，更倾向于使用 8 位组(Octet)而不是字节(Byte)这个术语来强调 8 比特串。

   字节是存储器的最小存取单位，一般也是处理器的最小寻址单位。

   也有按位寻址、按字寻址的处理器，但在个人计算机上应用不普遍

3. 字

   虽然字节是大多数现代计算机的最小存储单位和传输单位，但并不代表它是计算机可以最高效地处理的数据单位。

   在计算机中，一串比特位(即位串、比特串)是作为一个整体来处理或运算的，这串比特位称为一个计算机字，简称字，是计算机中的基本访问单位。

   字长即字的长度，是指计算机的每个字所包含的位数。字长决定了CPU一次操作所处理的实际比特位数量的多少。字长由 CPU 对外数据通路的数据总线宽度决定。

   在目前来讲，桌面平台的处理器字长正处于从32位向64位过渡的时期，嵌入式设备基本稳定在32位，而在某些专业领域（如高端显卡），处理器字长早已经达到了64位乃至更多的128位

4. 千字节 KB 和 KiB

   原始定义为 2^{10} = 1024，但有些存储系统将其重新定义为 10^{3} = 1000，为了避免混淆，用 KB 表示 10^{3} = 1000，用 KiB 表示 2^{10} = 1024