1.4 揭開存儲器的層次

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當C語言被編譯后，編譯的中間語言會在CPU中進行處理。按照與CPU的接近程度，存儲器分為內存儲器與外存儲器，簡稱內存與外存。內存儲器又常稱為主存儲器（簡稱主存），屬于主機的組成部分；外存儲器又稱為輔助存儲器（簡稱輔存），屬于外部設備。訪問CPU不能像訪問內存那樣直接訪問外存，外存要與CPU或I/O設備進行數據傳輸，必須通過內存進行。現在的PC中還配置了高速緩沖存儲器（chache），這時內存包括主存與高速緩存兩部分。

為了兼顧存儲容量和存儲速度，當前計算機幾乎毫無例外地采用了圖1-3所示的層次式存儲結構。

在圖1-3中，以處理器為中心，計算機系統的存儲依次為寄存器、高速緩存、主存儲器、磁盤緩存、磁盤和可移動存儲介質等7個層次。距離處理器越近的存儲工作速度越高，容量越小。其中，寄存器、高速緩存、主存儲器為操作系統存儲管理的管轄范圍，磁盤和可移動存儲介質屬于操作系統設備管理的管轄范圍。

凡是屬于操作系統存儲管理范圍的存儲裝置，其共同特點是在系統掉電之后，它們所存儲的信息會丟失殆盡，屬于可揮發性存儲裝置。而屬于操作系統管理范圍的存儲裝置，則可以永久保存存儲的信息，屬于非揮發性存儲裝置。

磁盤緩存本身并不是一種實際存在的存儲介質，它依托于固定磁盤，主要用來提供對主存儲器的擴充。

寄存器在物理上與處理器的運算控制部分同在一個芯片上，它們與運算部分的距離最近，訪問速度也最高，但其容量也因此不會太大。所以，它們主要被用來暫存一些中間數據或控制用的特殊數據，而不能存放像程序之類的大批數據。

主存儲器用來存放程序和程序運行所需的數據。一個計算機系統必須有足夠大的主存儲器，其容量是衡量一個計算機系統性能的指標之一。由于主存儲器的訪問速度遠低于寄存器，所以，為了加快訪問速度，計算機系統常常在主存儲器和寄存器之間配置高速緩存，以存放處理器當前常用的程序模塊和數據。

之所以把存儲器分為幾個層次，主要是基于如下三點原因。

（1）合理解決速度與成本的矛盾，以得到較高的性能價格比。半導體存儲器速度快，但價格高，容量不宜做得很大，因此，僅用作與CPU頻繁交流信息的內存儲器。磁盤存儲器價格較便宜，可以把容量做得很大，但存取速度較慢，因此，用作存取次數較少，且需存放大量程序、原始數據（許多程序和數據是暫時不參加運算的）和運行結果的外存儲器。計算機在執行某項任務時，僅將與此有關的程序和原始數據從磁盤上調入容量較小的內存，通過CPU與內存進行高速的數據處理，然后將最終結果通過內存再寫入磁盤。這樣的配置價格適中，綜合存取速度較快。

（2）為解決高速的CPU與速度相對較慢的主存的矛盾，還可使用高速緩存。它采用速度快、價格更高的半導體靜態存儲器，甚至與微處理器做在一起，存放當前使用最頻繁的指令和數據。當CPU從內存中讀取指令與數據時，將同時訪問高速緩存與主存。如果所需內容在高速緩存中，就能立即獲取；如沒有，再從主存中讀取。高速緩存中的內容是根據實際情況及時更換的。這樣，通過增加少量成本即可獲得很高的速度。

（3）使用磁盤作為外存，不僅價格便宜，可以把存儲容量做得很大，而且在斷電時它所存放的信息也不丟失，可以長久保存，且復制、攜帶都很方便。