深入浅出计算机组成原理
徐文浩
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深入浅出计算机组成原理
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35 | 存储器层次结构全景:数据存储的大金字塔长什么样?

HDD
SSD
DRAM
L3 Cache
L2 Cache
L1 Cache
SRAM
Jeff Dean的PPT
Peter Novig的文章
存储器的层次结构特性
性能和价格的权衡
硬盘
内存
CPU Cache
寄存器
课后思考
补充阅读
总结延伸
存储器的层级结构
CPU中的存储器
存储器的层次结构
数据存储的大金字塔长什么样?
参考文章

该思维导图由 AI 生成,仅供参考

今天开始,我们要进入到计算机另一个重要的组成部分,存储器。
如果你自己组装过 PC 机,你肯定知道,想要 CPU,我们只要买一个就好了,但是存储器,却有不同的设备要买。比方说,我们要买内存,还要买硬盘。买硬盘的时候,不少人会买一块 SSD 硬盘作为系统盘,还会买上一块大容量的 HDD 机械硬盘作为数据盘。内存和硬盘都是我们的存储设备。而且,像硬盘这样的持久化存储设备,同时也是一个 I/O 设备。
在实际的软件开发过程中,我们常常会遇到服务端的请求响应时间长,吞吐率不够的情况。在分析对应问题的时候,相信你没少听过类似“主要瓶颈不在 CPU,而在 I/O”的论断。可见,存储在计算机中扮演着多么重要的角色。那接下来这一整个章节,我会为你梳理和讲解整个存储器系统。
这一讲,我们先从存储器的层次结构说起,让你对各种存储器设备有一个整体的了解。

理解存储器的层次结构

在有计算机之前,我们通常把信息和数据存储在书、文件这样的物理介质里面。有了计算机之后,我们通常把数据存储在计算机的存储器里面。而存储器系统是一个通过各种不同的方法和设备,一层一层组合起来的系统。下面,我们把计算机的存储器层次结构和我们日常生活里处理信息、阅读书籍做个对照,好让你更容易理解、记忆存储器的层次结构。
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存储器层次结构对于计算机系统至关重要。本文介绍了存储器的层次结构,从CPU寄存器到高速缓存(SRAM)和内存(DRAM),再到外部存储设备(SSD和HDD硬盘)。通过比喻大脑记忆和书桌书架,读者更容易理解存储器的层次结构。文章强调了不同存储设备的性能和价格差异,以及存储器层次结构中各层之间的作用和关联。总的来说,存储器层次结构随着层级的增加,容量逐层增大,访问速度逐层变慢,而单位存储成本逐层下降。这一结构构成了现代计算机中各种存储器设备的使用方式和特点。 文章还介绍了存储器在不同层级之间的性能差异和价格差异,以及在实际计算机配置中如何权衡价格和性能。通过对一款主流笔记本电脑的配置进行分析,强调了速度快的设备容量较小,而速度慢的设备容量较大的特点。此外,文章还提到了存储器的比喻,将CPU比作大脑,寄存器和Cache比作短期到长期的记忆,内存和硬盘则类比为书桌书架和图书馆,形象生动地解释了存储器层次结构的特点。 最后,文章提供了补充阅读和课后思考,引导读者进一步了解存储器的访问延时数据和思考存储器发展的历史原因。整体而言,本文通过生动的比喻和实际案例,帮助读者快速了解存储器层次结构的重要性、特点和应用。

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全部留言(33)

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  • 分清云淡
    DRAM和SSD之间还有个NVM

    作者回复: 于欣磊同学, 你好,我猜你说的是NVME?NVME是一个接口规范,现在存储用的也还是SSD,只是这个接口带宽比PCI-E要高,顺序读写的吞吐率能做得更高。

    2019-08-10
    2
    11
  • leslie
    老师本节课都在讲存储的访问速度:强调的是设备之间的访问速度,90年代是我的高中时代,印象里那会儿一切的copy用的主要都还是软盘,那会儿似乎没有光盘,应当是它的便携性和访问速度快;毕竟那个时代网络还是电话线-软盘的携带性方便,硬盘其实同样是由多张盘构成的-其中涉及到寻址时间导致访问缓慢。

    作者回复: leslie同学你好, 软盘的访问速度其实不快,但是便携,成本低。搞个10张就超过10MB硬盘你的存储空间了。 80年代末90年代初的“海量存储”就是一大摞软盘。

    2019-08-22
    2
    7
  • 斐波那契
    哎 这个问题一下就暴露年龄了 当年3.5寸磁盘又叫软盘 非常小巧 在windows中一般是A盘 里面放了当时做的ppt 文档什么的 后来被u盘取代 一开始u盘还要装驱动 后来xp系统不用自己装驱动就能用u盘一下子把这个软盘💾取代了
    2019-07-15
    1
    50
  • 活的潇洒
    “你可以把CPU中的L1 Cache理解为我们的短期记忆,把L2/L3 Cache理解成长期记忆,把内存当成我们拥有 的书架或者书桌。 当我们自己记忆中没有资料的时候,可以从书桌或者书架上拿书来翻阅。这个过程中就 相当于,数据从内存中加载到CPU的寄存器和Cache中,然后通过“大脑”,也就是CPU,进行处理和运算” 这一段精彩了,佩服老师 day35 笔记:https://www.cnblogs.com/luoahong/p/11328671.html
    2019-08-21
    25
  • xindoo
    8 90年代,虽然硬盘容量比磁盘大,但体积也大,价格也更高。磁盘体积小,价格低,携带方便,同体积下的硬盘和磁盘,当然是磁盘容量更大,价格更低,所以肯定是大家存储数据的首选。
    2019-07-15
    1
    16
  • 格非
    老师,比如CPU标明四核八线程,理论上,一个核只能处理一个线程,怎么这线程数是核数的两倍呢
    2019-07-28
    6
    4
  • 林三杠
    应该是便携性比较好,价格也比较容易接受,而且当时需要便携性好的文件普遍没有那么大,综合下来,软盘才会风靡一时吧。后来就是u盘的天下了
    2019-07-15
    4
  • 温雅小公子
    各个存储器只和相邻的一层存储器打交道,那cpu为什么能跨过cache,利用寄存器从内存读写数据捏?
    2022-11-01归属地:河北
    1
    2
  • 人在江湖龙在江湖
    当时的软盘相当于现在的u盘,即插即用,可以当做系统启动盘,装系统或者应用程序,第二软盘远比硬盘便宜
    2020-11-11
    2
  • 小炭
    了解了这些存储器设备特性对于架构设计至关重要。
    2020-11-06
    2
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