1.4.4 计算机存储体系
随着CPU运算速度的不断加快，计算机需要存储和处理的数据量越来越大，对存取速度的要求也越来越高。因此计算机对存储的要求是：容量越大越好，读取速度越快越好，才能满足CPU运算速度的需要；存储设备的价格越低越好，且存储的时间越久越好。
因为制造工艺、精度、价格等因素影响，计算机的存储体系采用“速度、容量、价格的存储资源优化组合的思维模式”。存储体系包括寄存器、内存、高速缓存、外存。外存用来永久存储程序和数据，断电时数据也不会丢失，包括硬盘、移动硬盘、光盘、U盘和存储卡等。
1. 寄存器
寄存器是CPU中的高速存储器，如图1-37所示。寄存器包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器，可以用来暂存指令、数据和地址。寄存器的容量是有限的。寄存器与CPU采用相同制造工艺，速度可以与CPU完全匹配。
图1-37 CPU中的寄存器
CPU在处理内存中的数据时，往往先把数据放到寄存器中，而后再作处理。
2. 内存
内存是可按地址访问的存储器，又称主存储器，它是一种半导体芯片。CPU可以直接读写内存，内存的速度和容量直接影响计算机的整体性能。内存分为RAM（Random Access Memory，随机访问存储器）和ROM（Read Only Memory，只读存储器）两种。
（1）RAM可按照地址访问，既可以读也可以写，断电后数据会丢失，如图1-38所示。
图1-38 内存
计算机中的程序和数据必须先读入内存后，才可以被CPU读写和处理。内存容量反映了计算机的运算和处理能力，内存容量越大，计算机性能就越好。
目前计算机中的内存常用的容量有1GB、2GB、4GB、8GB、16GB等。
目前典型的内存有SRAM（静态存储器）、DRAM（动态存储器）、SDRAM（同步动态存储器）。
（2）ROM可按地址访问，只能读不能写，断电后数据不丢失。
ROM具有永久存储的特点，其中的信息必须事先写入，其后只能读不能写，其容量非常小。
ROM分为普通ROM（掩膜ROM）、可编程ROM（PROM）、光可擦除ROM（EPROM）和电可改写ROM（EEPROM）。主板上的BIOS（Basic Input/Output System，基本输入/输出系统）芯片使用的是EEPROM，如图1-39所示，通常用于存放启动计算机所需的少量程序和数据。
图1-39 主板上的BIOS
3. 高速缓存
由于CPU的处理速度远超内存，CPU经常处于等待状态，影响了系统的整体处理能力。
据统计，CPU经常会读取同一或者相邻数据块。如果将这些数据块提前读入高速缓冲存储器（Cache，简称高速缓存）中，在需要时微处理器就可以直接读写高速缓存，那么就能提高数据的存取速度，如图1-40所示。
图1-40 高速缓存
实际工作时，缓存容量的增大，可以大幅度提升缓存读取数据的命中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找和读取数据，从而提高系统的整体性能。
高速缓存可以制作在主板上、CPU上或者CPU的内核上，我们一般将高速缓存分为一级缓存、二级缓存和三级缓存。
（1）一级缓存一般都集成在CPU内部。在多核处理器时代，高速缓存直接制作在处理器内核上，其读取速度最快。
（2）二级缓存一般也是集成在CPU内部。根据CPU型号的不同，有的是和一级缓存一样的片上缓存，有的是多核共享的二级缓存。
（3）三级缓存可能放在主板上，或者集成于CPU内部，一般都是共享的。
提示
缓存的思维模式：把即将要处理的数据和信息提前准备好，可以显著提高计算和处理速度。在生活中，提前准备好上学的书包、提前做好饭菜、提前买好火车票等，都可以提高效率。缓存的思想不仅可以用在CPU和内存之间，还可以用在内存和硬盘之间，以及内存与其他外部设备之间。
4. 硬盘
（1）机械硬盘
机械硬盘是一种采用磁性材料制作的大容量存储器，可以永久保存数据。机械硬盘的结构如图1-41所示，由若干个盘片和读写臂组成，读写臂上有读写磁头。一个盘片被划分为若干个同心圆，每一个同心圆称为一个磁道，不同盘片的相同磁道构成一个柱面，每个磁道又被分为若干个扇形区域，称为扇区。一个扇区可以存储512Byte数据。
图1-41 机械硬盘结构图
机械硬盘在读写数据时，读写臂沿着盘片径向移动，将读写头定位在所要读写的磁道上，称为寻道。盘片沿着主轴高速旋转，当磁头找到所要读写的扇区时，开始读写和传输数据。
机械硬盘的读写时间包括寻道时间、旋转时间和传输时间。因为机械硬盘的读写是机械操作，所以读写速度较慢。在硬盘中，一个大文件最好存储在连续的扇区中。在读写时可以连续读写，减少寻道时间和旋转时间，从而提高读写的速度。如果一个文件碎片较多，那么读写速度会显著减慢。
1956年出现的IBM 350机械硬盘高173cm、宽152cm，如图1-42所示，那时人们称其为“神奇的机柜”。尽管它的尺寸很大，却只有5MB的存储空间。IBM 350从未出售过，它只是随IBM的计算机Ramac 305出租使用。
图1-42 IBM 350硬盘
机械硬盘的性能指标如下。
① 尺寸：3.5英寸（1英寸≈2.54cm）的硬盘如图1-43所示，常用于台式计算机；2.5英寸的硬盘如图1-44所示，常用于笔记本电脑。
图1-43 3.5寸硬盘
图1-44 2.5寸硬盘
② 容量：目前硬盘的容量一般为几百GB到几TB。
③ 转速：硬盘的转速越快，则读写速度也越快。常见转速有5 400r/min、7 200r/min。
（2）固态硬盘
固态硬盘（Solid State Drives，SSD）是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，如图1-45所示，由控制单元和固态存储单元（Flash芯片、DRAM芯片）组成，绝大多数固态硬盘采用Flash芯片。
图1-45 固态硬盘
固态硬盘在接口规范和定义、功能及使用方法上与机械硬盘完全相同。固态硬盘的读写速度可以达到500MB/s，而机械硬盘的读写速度最大为100MB/s。机械硬盘的数据储存在磁盘扇区里，需要众多机械部件协同合作；而固态硬盘内部不存在任何机械部件，在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响其正常使用，特别是在发生碰撞和震荡时能够将数据丢失的可能性降到最小。但固态硬盘元器件价格昂贵，因此成本比机械硬盘更高。
5. 移动存储设备
外存中，除了固定在计算机中的硬盘，可以移动的设备包括移动硬盘、光盘、U盘和存储卡等。
（1）移动硬盘
移动硬盘（Mobile Hard disk）顾名思义是以硬盘为存储介质，用于在计算机之间交换大容量数据，强调便携性的存储产品，如图1-46所示。移动硬盘多采用USB、IEEE 1394等传输速度较快的接口，可以用较快的速度与系统进行数据传输。移动硬盘具有体积小、容量大、速度快、使用方便和可靠性高的特点。目前，市场中的移动硬盘有几十GB到几TB的容量。
图1-46 移动硬盘
（2）光盘
光盘是利用激光原理进行读、写的设备。光盘需要通过光驱来进行读写，如图1-47所示。
图1-47 光盘与光驱
光盘的特点有容量大、成本低、稳定性好、使用寿命长、便于携带。光盘分为不可擦写光盘（如CD-ROM、DVD-ROM、Blu-ray Disc等）及可擦写光盘（如CD-RW）。
（3）U盘和存储卡
U盘，全称USB闪存盘，如图1-48所示，是一种使用USB接口的、无须物理驱动器的、微型高容量移动存储产品，通过USB接口与计算机连接，可以即插即用。U盘的优点是小巧便于携带、存储容量大、价格便宜、性能可靠。U盘一般有几GB到几十GB的容量。
存储卡是用于手机、数码相机、便携式计算机、MP3和其他数码产品上的独立存储介质，一般是卡片的形态，图1-49所示为MMC存储卡和SD存储卡。
写保护口如图1-48和1-49所示，用于控制U盘、存储卡等可移动设备的“只读/可改写”状态，当其处于写保护状态时，只能读取数据而不能写入数据。写保护口可以防止误删除、误格式化操作，以及病毒感染等。
图1-48 U盘
图1-49 存储卡
提示
计算机的“存储”体系：CPU中寄存器的数量少，存取速度最快；内存的存储容量小，存取速度快，内存只能临时保存数据；硬盘的存储容量大，存取速度慢，硬盘可以永久保存数据。CPU可以直接存取内存中的数据，而不能直接读取硬盘中的数据；CPU通过高速缓存Cache，提高内存与CPU的数据传输速度，从而显著提高系统的整体性能；硬盘中的数据必须先读入内存中，才能被CPU读取和处理。而各种移动存储设备提供了转移数据的可能。
计算机通过不同性能的存储资源的优化组合，解决存储设备之间工作效率匹配和协同问题，从而提高系统的工作效率。存储设备一直朝着容量越来越大、速度越来越快、价格越来越便宜、可靠性越来越高的方向发展。