存储器层次结构
随机访问存储器(Random Access Memory，RAM)
RAM分为两种：静态的和动态的。
SRAM，用来作为高速缓存存储器，既可以放在CPU芯片上，也可以放在片下。由于SRAM存储器单元的双稳态特性，只要有电，它就会永远地保持它的值。即使有干扰来扰乱电压，当干扰消除时，电路就会恢复到稳定值。
DRAM，用来作为主存以及图形系统的帧缓冲区。DRAM将每一个位存储为对一个电容的充电。当电容的电压被扰乱后，它就永远不会恢复了。
传统的DRAM
DRAM由若干个DRAM芯片组成，每个DRAM芯片被分成d个超单元，每个超单元中存放w位。一个d×w的DRAM总共存储dw位信息。
下面是一个16×8的DRAM芯片的高级视图：
DRAM中的超单元被组织成一个r行c列的矩阵，rc=d。
信息通过被称为引脚(pin)的外部连结器流入和流出芯片。每个引脚携带一个位的信息。
每个DRAM芯片被连接到某个称为内存控制器的电路，这个电路可以一次传送w位到每个DRAM芯片或一次从每个DRAM芯片传出w位。
为了读取超单元(i，j)中的内容，内存控制器将行地址 i (RAS)发送到DRAM，然后是列地址 j (CAS)。RAS和CAS共享同一个DRAM地址引脚。所以每次访问超单元都需要将行地址和列地址分两次传输。
下面是一个超单元的读取流程：
由DRAM芯片组成的内存模块
下面是一个用8块DRAM芯片组成的内存模块的示意图：
其中DRAM 0存储第一个字节（低位），DRAM 7存储最后一个字节。
要取出内存地址A处的一个字，内存控制器将A转换成一个超单元地址(i，j)，并将它发送到内存模块，然后内存模块再将 i 和 j 广播到每个DRAM芯片中。作为响应，每个DRAM芯片输出其(i，j)超单元的8位内容。模块中的电路收集这些输出，并把它们合并成一个64位的字，再返回到内存控制器。
非易失性存储器
所谓易失的，就是说如果断电，存储器会丢失它们的信息。另一方面，非易失性存储器即使是在关电后仍然保存着它们的信息。
这种类型的存储器都被称为只读存储器(Read-Only Memory，ROM)，尽管ROM中有些类型既可以读也可以写。
PROM，可编程ROM，只能被编写一次。
EPPROM，可擦写可编程ROM，可以擦出重写。主要借助于一个独立的光学设备。
EEPROM，电子可擦除ROM，类似于EPPROM，但它不需要一个独立的物理设备。闪存就是一种基于EEPROM的存储设备。
CPU与主存的数据交换方式
数据通过称为总线的共享电子电路在处理器和DRAM主存之间来来回回。
总线是一组并行的导线，能携带地址、数据和信号。
系统总线连接CPU和I/O桥接器，I/O桥接器是一组芯片结构，其中就包括内存控制器。它的功能除了内存控制器外，还将系统总线的电子信号翻译成内存总线的电子信号。
内存总线连接I/O桥接器和主存。
磁盘存储
下面给出一个磁盘的结构示意图：
寻址顺序：磁盘→盘片→面→磁道→扇区→字节
所以一个磁盘的容量大小为：
磁盘容量=（每扇区的字节数）*（每磁道的扇区数）*（每面的磁道数）*（每盘片的面数）*盘片数
通常一个盘片有两个面。
磁盘的访问时间
磁盘的访问时间分为三个部分：
寻道时间：为了读取某个目标扇区的内容，传动臂首先将读写头定位到包含目标扇区的磁道上。移动传动臂的时间称为寻道时间。
旋转时间：定位了磁道后，旋转磁片到需要的扇区，这段时间称为旋转时间。
传送时间：读写数据的时间。
一次平均的磁盘访问时间=Tavg seek + Tavg rotation + Tavg transfer = Tavg seek + 30/RPM + 60/RPM * 1/(每磁道的扇区数)
固态硬盘(Solid State Disk，SSD)
固态硬盘是一种基于闪存的存储技术，在某些情况下是磁盘的替代产品。
固态硬盘的一个典型的特征就是：读比写快。
随机写很慢，原因有两个：首先擦出块需要相对较长的时间，比访问页所需时间要高出一个数量级。其次，如果写操作试图修改一个包含已经有数据的页，那么这个块中所有带有有用数据的页都必须复制到一个新的块中。
局部性（Locality）
局部性：倾向于引用邻近于其他最近用过的数据项的数据项，或者最近引用过的数据本身。这种倾向性，被称为局部性原理，对硬件和软件系统的设计和性能都有着极大的影响。有良好局部性的程序比局部性差的程序运行的更快。
时间局部性：在一个具有良好时间局部性的程序中，被引用过一次的内存位置很可能在不远的将来再被多次引用。
空间局部性：在一个具有良好空间局部性的程序中，如果一个内存位置被引用了一次，那么程序很可能在不远的将来引用附近的一个内存位置。
量化评价局部性的一些简单原则：
- 重复引用相同变量的程序由良好的时间局部性。
- 对于具有步长为k的引用模式的程序，步长越小，空间局部性越好。具有步长为1的引用模式的程序有很好的空间局部性。在内存中以大步长跳来跳去的程序空间局部性会很差。
- 对于取指令来说，循环有好的时间和空间局部性。循环体越小，循环迭代次数越多，局部性越好。
高速缓存的访问原理
下图是一个高速缓存的结构图：
高速缓存是一个高速缓存数组。每个组包含一个或多个行，每个行包含一个有效位（有效位用于标记这一行是否有效，即这一行中是否存放数据项），一些标记位，以及一个数据块，而每个数据块中又包含多个字节（寻址的最小单位就是字节）。
一般而言，高速缓存的结构可以用元组（S，E，B，m）来描述。高速缓存的大小（或容量）C指的是所有块的大小的和。标记位和有效位不包括在内。因此C=S×E×B。
下图是一个m为的地址:
一个 m 位的地址被分成 t 位的标记位，s 位的组索引和b 位的块偏移位。
组索引位用于在高速缓存数组中确定组号，标记位用于在一个确定的组中确定行号，块偏移用于在一个确定的行中确定最终需要的字节。
