我的計算機模型是這樣的：

CPU執行指令，內存猶如一個巨大的字節數組，存儲著指令和數據，硬盤保存著各種程序與程序用到的數據。I/O完成輸入輸出的功能。在本文中我們拋開I/O，談一談關于CPU，內存，硬盤的故事。

CPU包含了許多寄存器，用于保存臨時使用的數據和指令。這是CPU可以訪問到的最快的存儲器設備，CPU可以在一個時鐘周期內訪問到它們。如果程序員理解了寄存器和內存是如何合作完成任務的，也就明白了馮諾依曼計算機的本質。舉例來說：

int fun(void) {int a;int b;int c;c=a+b;return c; }

匯編代碼

fun:pushl %ebp movl %ebp,%espsubl $16,%espmovl -8(%ebp),%eaxaddl -12(%ebp),%eaxmovl %eax,-4(%ebp)leaveret

變量a占用-8(%ebp)，變量b占用-12(%ebp)，變量c占用-4(%ebp)。

movl -8(%ebp),%eax

將變量b的值放入寄存器%eax中。

addl -12(%ebp),%eax

將%eax的值加上變量a的值。

movl %eax,-4(%ebp)

完成c=a+b的功能。

可以看出，程序將內存的值放入寄存器，進行運算，完成計算任務。其中，寄存器與內存親密接觸，完成計算任務。

作為存儲設備CPU寄存器之下并不是內存，而是多級高速緩存。最多可以分為三級：L1高速緩存，L2高速緩存，L3高速緩存。它們是基于SRAM技術構成的高速緩存存儲器，CPU可以在幾個時鐘周期中訪問它們。L1快于L2，L2快于L3。高速緩存是不可編程的，是CPU設計者用硬件構造出來的。它們按照固定的算法完成緩存內存數據的任務。所以我在計算機抽象模型中忽略了它。它的基本原理是：根據要緩存的數據的地址讀出一系列與該地址相同或是臨近的的數據緩存起來。當再次訪問或訪問臨近的數據時，緩存命中，CPU直接讀取數據。如果讀取其他地址，緩存不命中，CPU從下一層存儲器中讀取并緩存數據，如果下一層也沒有就用下下一層，直到讀取到數據。

為什么要用高速緩存存儲器？因為程序有局部性原理。

局部性通常分為兩種不同的形式：時間局部性和空間局部性。在一個具有良好的時間局部性的程序中，被引用過一次的存儲器位置很可能在不遠的將來被多次引用。在一個具有良好的空間局部性的程序中，如果一個存儲器位置被應用了一次，那么程序很可能在不遠的將來引用附近的一個存儲器位置。所以如果數據或者指令被緩存高速緩存器，那么程序運行的速度將加快許多倍。

在說道內存，內存由動態RAM構成。內存可以看成是一個巨大的字節數組，根據地址可以訪問到內存字節。而內存的每一個位都是由一個電容和一個訪問晶體管組成。但它很容易漏電，使得DRAM單元在10-100毫秒時間內失去電荷。所以存儲器必須周期性的通過讀出然后重新刷新存儲器的每個位。DRAM芯片包裝在存儲器模塊中，他是插到主板的擴展槽中的。常見的包裝包括168個引腳的雙列直插存儲器模塊，它以64位為塊傳送數據到存儲器控制器和從存儲器控制器傳出數據。還包括72個引腳的單列直插式存儲器模塊，它以32位為塊傳送數據，增強型DRM有：快頁模型DRAM，擴展數據輸出DRAM，同步DRAM，雙倍速率同步DRAM，視頻RAM。

內存之下是硬盤。如果程序需要的數據是存儲在CPU寄存器的，那么1個周期便能訪問到它們。如果存儲在高速緩存中，需要1-30個周期。如果存儲在主存中需要50-300個周期。而如果存儲在磁盤中，需要大約幾千萬個周期。是的，磁盤就是這么慢。所以linux內核中構建了一層高速緩存器。使用內存來緩存磁盤的內容。內核以4KB為一個塊，使用散列表的方式根據磁盤的塊號散列在內存中。

磁盤由盤片構成，每個盤片由兩面或稱為表面，表面覆蓋著磁性記錄材料。磁盤通常包含一個或者多個這樣的盤片，并封裝在一個密封的容器內。

磁盤表面由一組稱為磁道的同心圓組成。每個磁盤被劃分為一組扇區。所有盤片表面上到主軸中心的距離相等的磁道稱為柱面。

固態硬盤是一種基于閃存的存儲技術，在某些情況下是傳統旋轉磁盤的極有吸引力的替代品。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的深入理解计算机系统第四版_深入理解计算机系统之存储器层次结构的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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