3.1.2 存储器的层次结构
在同一台计算机中，有各种工作速度，存储容量，访问方式，用途等均不相同的存储器，这些存储器构成一个层次结构，如图3.5所示。从上到下，各种存储器的存储容量越来越大，每位的价格越来越便宜，但存储周期越来越长。
通用寄存器堆、指令和数据缓冲栈、一级Cache是在CPU芯片内部的，它们的工作速度比较高。从二级Cache以下，是在CPU外部的，工作速度逐级明显降低。如果用i表示层数，则有工作速度：Ti＜Ti+1；存储容量：Si＜Si+1；价格：Ci＞Ci+1；
因为存放在各种存储器中的程序和数据，最终都要送到CPU中进行处理，CPU的速度很高，因此，希望各层次存储器的工作速度尽量靠近上面，存储容量和价格靠近下面。
各级存储器的主要性能指标见表3.1所示。这些指标仅供参考，因为随着时间的推移，有些指标在不断变化。
表3.1 各种存储器的主要性能特性
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存储器层次
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通用寄存器
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缓冲栈
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Cache
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主存储器
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磁盘存储器
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脱机存储器
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存储周期
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<10ns
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<10ns
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10～60ns
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60～300ns
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10～30ms
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2～20min
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存储容量
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<512B
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<512B
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8KB～2MB
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32MB～1GB
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1GB～1TB
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5GB～10TB
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价格($C/KB)
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1200
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80
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3.2
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0.36
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0.01
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0.0001
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访问方式
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直接译码
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先进先出
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相联访问
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随机访问
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块访问
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文件组
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材料工艺
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ECL
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ECL
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SRAM
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DRAM
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磁表面
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磁、光等
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分配管理
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编译器分配
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硬件调度
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硬件调度
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操作系统
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系统/用户
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系统/用户
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带宽(MB/S)
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400～8000
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400～1200
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200～800
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80～160
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10～100
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0.2～0.6
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1955年，IBM公司推出的第一台大型计算机IBM704，CPU和主存储器的工作周期均为12微秒，两者恰好能匹配工作。到了40多年后的今天，CPU的工作速度提高了4个数量级以上，而主存储器的工作速度仅提高两个数量级，两者根本不能匹配工作。因此，计算机系统结构的设计者们必须面对这一现实，找出解决的方法。以下将介绍解决这一问题的一些主要方法。