存储概述：计算机层次化存储体系概述

冯•诺依曼体系

1946年，冯•诺依曼提出了以存储程序为核心的计算机模型，该计算机模型一直沿用至今。通常称该计算机模型为冯•诺依曼模型（结构），将采用该思想设计的计算机为冯•诺依曼计算机。

硬件结构

冯•诺依曼计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成，其结构如图所示，运算器、控制器常合称为中央处理器（Central Processing Unit, CPU）。

冯•诺依曼体系计算机结构

QA：冯•诺依曼计算机里是以存储为中心，还是以计算为中心？

冯•诺依曼提出了以存储程序为核心的计算机模型，但部分文献资料里又提到【由于输入 / 输出与运算器进行数据交换，因此，计算机以运算器为中心。】那么 冯•诺依曼计算机到底是 存储为中心，还是计算为中心？

冯·诺依曼计算机结构在早期是以运算器为中心的，但在后期逐渐转变为以存储系统为中心。但随着计算机的发展，很难说简单界定以谁为中心。

冯・诺依曼计算机是以存储程序为基础的，在一定程度上可以说存储是其关键支撑部分，但整体架构的运行围绕着计算任务的完成。数据和程序以二进制形式存放在存储器中，这使得计算机具有通用性和灵活性。存储器可以长期保存大量信息，为计算机的各种操作提供了基础数据资源，没有存储器中程序和数据的预先存储，后续的计算将无从开展。中央处理器（CPU）根据存储在存储器中的程序指令，对数据进行算术运算、逻辑运算等各种操作。计算过程中的控制单元负责指挥整个计算机系统的运行，协调各个部件的工作，确保按照程序的顺序进行正确的计算。它根据程序指令的要求，从存储器中读取指令，解释指令并产生相应的控制信号，控制数据的流向和运算的执行。

冯・诺依曼计算机中存储和计算相辅相成，计算是实现计算机功能的直接体现，而存储为计算提供了必要的基础和支持，两者共同构成了冯・诺依曼计算机的核心体系。

工作方式

冯•诺依曼计算机采用“存储程序”工作方式。其基本思想是：程序和数据预先存放在存储器中，机器工作时，自动、逐条地从存储器中取出指令并执行。

注意：

• 这里的主存储器指的是内存，也叫主存。
• 不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)

冯•诺依曼计算机的程序执行过程

层次化存储体系

在冯•诺依曼计算机里，不考虑缓存，而且

• CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)
• 外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。

一句话，所有设备都只能直接和内存交互。

在现如今，由于主存与CPU速度不匹配，其存储器结构越来越复杂。通常来说，速度越快，每字节的成本越高。倘若以磁盘等作为主存，又无法满足CPU 和主存之间的速度差异，由木桶原理可知，这会降低计算机整体效率。

为了平衡其容量、速度以及价格，有人提出分层组织存储器系统的方法，称为存储器层次结构（ memory hierarchy），也有文献称之为层次化存储体系。如图所示：

存储器层次结构

存储器层次结构的中心思想是：对于每个 k, 位于k + 1 层的更快更小的存储设备作为位于k + 1层的更大更慢的存储设备的缓存。 换句话说，层次结构中的每一层都缓存来自较低一层的数据对象。

  当程序需要第k + 1层的某个数据对象d时，它首先在当前存储在第k层的一个块中查找。如果 d刚好缓存在第 k 层中， 那么就是我们所说的缓存命中（cache hit)。该程序直接从第 k 层读取数据d，根据存储器层次结构的性质，这要比从第k + 1层读取更快。当缓存不命中时，第k层则从第k + 1层去取出包括d的块。程序则可以像之前一样从第k层读取d了。

  一般而言， 高速缓存（cache, 读作 “cash”） 是一个小而快速的存储设备，它作为存储在更大、也更慢的设备中的数据对象的缓冲区域。 使用高速缓存的过程称为缓存（ caching, 读作“cashing”)。为解决主存储器与处理器速度不匹配而生。

  早期计算机系统的存储器层次结构只有三层 ：CPU 寄存器、DRAM 主存储器和磁盘存储。不过，由于 CPU 和主存之间逐渐增大的差距，系统设计者被迫在 CPU 寄存器文件和主存之间插入了一个小的 SRAM高速缓存存储器， 称为 L1 高速缓存（一级缓存）。L1高速缓存的访问速度几乎和寄存器一样快。随着 CPU 和主存之间的性能差距不断增大，系统设计者在 L1 高速缓存和主存之间又插人了一个更大的高速缓存，称为 L2 高速缓存。有些现代系统还包括有一个更大的高速缓存，称为 L3 高速缓存，在存储器层次结构中，它位于 L2 高速缓存和主存之间。

总体来说：距离CPU越远，速度越慢，容量越大，成本也就越低。

说的有点小复杂了。来，看个简易版：

层次化存储体系 - 简易图

局部原理 principle of locality

每一层的容量是递增的，那么对于高层来说，存储数据少，意味着每一层命中的概率并不高。同时，各层存储之间的速度差异，CPU要高速工作，我们希望CPU需要的数据更多的就在L1里面以提高命中率，不希望更多的跑到下面内存乃至磁盘里面去找。

• 时间局部性:指程序中的某条指令一旦执行，不久以后该指令可能再次执行，典型原因是 由于程序中存在着大量的循环操作。
• 空间局部性:指一旦程序访问了某个存储单元，不久以后，其附近的存储单元也将被访问， 即程序在一段时间内所访问的地址可能集中在一定的范围内，其典型情况是程序顺序执行。

内存和Cache硬件形式

内存是插在主板上的，是用于保存CPU运算的中间数据和计算结果；一般是由DRAM构成。

而高速缓存Cache不是以 “Cache 条” 这样的形式插在主板上常规可见的插槽中的；Cache是可以被焊接在主板上，或者直接集成在CPU内部。

案例分析 -- QQ聊天，数据的流动过程

案例：基于冯•诺依曼计算机描述：从登录上QQ开始和某位朋友聊天开始，数据的流动过程。 从你打开窗口，开始给他发消息，到他的收到消息之后的数据流动过程。如果是在QQ上发送文件呢？

发送消息

  当你发送消息时，先通过键盘这个输入设备键入消息到内存中，内存将数据加载到CPU中处理（封包，加密等处理），CPU处理完后又加载到内存中，内存中的数据又加载到显示器让你看到，同时又输出到网卡，此时显示器与网卡均作为输出设备。

  数据经过网络来到朋友的网卡，此时网卡担任输入设备，将数据加载到内存中，经过内存来到CPU处理（解包，解密等），CPU处理完后数据流向内存，并最终输出到显示器上，此时你的朋友就收到了你的消息。

发送文件

与上述发送消息类似，不过发送文件时，自己的输入设备为磁盘，朋友的输出设备也是磁盘。

参考：https://blog.csdn.net/qq_56780490/article/details/128143369【本文层次化存储体系部分段、实例分析取自该文章】