计算机存储系统和分层结构

存储系统

是指计算机中由存放程序和数据的各种存储设备、控制部件及管理信息调度的设备（硬件）和算法（软件）所组成的系统。

层次结构

对于计算机系统中配置的存储器，归结起来有三个主要的参数要求：容量大，速度快，价格低。存储器的易失性也是计算机存储器的一个重要指标，一般来讲，速度高的存储器，每位价格也高，因此容量不能太大。所以对单一的存储器部件来说，大容量、高速度、低价格三者是不能同时满足的。为了解决这个难题，在现代计算机系统中采用了存储器分层结构，这样就不会仅仅依赖于某一个存储部件或技术了。任意高速存储设备都可以作为低速存储设备的缓存，也是出现存储层次主要原因之一。

由于计算机的主存储器不能同时满足存取速度快、存储容量大和成本低的要求，在计算机中必须有速度由慢到快、容量由大到小的多级层次存储器，以最优的控制调度算法和合理的成本，构成具有性能可接受的存储系统。存储系统的性能在计算机中的地位日趋重要，主要原因是：

       ①冯诺伊曼体系结构是建筑在存储程序概念的基础上，访存操作约占中央处理器（CPU）时间的70%左右。

       ②存储管理与组织的好坏影响到整机效率。

       ③现代的信息处理，如图像处理、数据库、知识库、语音识别、多媒体等对存储系统的要求很高 ^[1]  。

对于通用计算机而言，存储层次分为四层：CPU寄存器。高速缓存、主存和辅存，如下图

                              （图1）

对于CPU 寄存器，CPU 可以再一个时钟周期内访问它们。接下来是一个或者多个小型到中型的基于 SRAM 的高速缓存存储器，可以再几个 CPU 时钟周期内访问它们。然后是一个大的基于 DRAM 的主存，可以在几十或者几百个时钟周期内访问它们。接下来是慢速但是容量很大的本地磁盘。存储器层次结构的核心是，对于每个 k，位于 k 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。也就是说，层次结构中的每一层都缓存来自较低一层的数据对象。

辅助存储器有：磁盘和移动存储设备（U盘、移动硬盘、软盘、光盘、存储卡）。

特点

分层结构的顶端，存储访问速度最快，单位价格最高，存储容量最小。自上而下速度越来越低，而容量越来越大，单位价格越来越低。

 

综上所述，一个较大的存储系统是由各种不同类型的存储设备构成，是一个具有多级层次结构的存储系统。该系统既有与CPU相近的速度，又有极大的容量，而成本又是较低的。其中高速缓存解决了存储系统的速度问题，辅助存储器则解决了存储系统的容量问题。采用多级层次结构的存储器系统可以有效的解决存储器的速度、容量和价格之间的矛盾。