计算机存储结构分析（寄存器，内存，缓存，硬盘）

前言

一个计算机包含多种存储器比如：寄存器、高速缓存、内存、硬盘、光盘等，为啥有这么多种存储方式，对于不太了解的人，总是觉得云里雾里的，搞不明白原因。

计算机主要的功能就是运算（cpu），但是要完成一个任务，就要读取运算指令，并将结果输出给用户；因此，指令的存储、运算过程中中间状态的存储、结果的保存等都需要存储器。

第一代计算机，接收指令是通过读取穿孔卡片来实现的，这个穿孔卡片就可以理解为最老的用来存储命令的存储器。

理想状态下，存储器的执行速度应该快过计算机的运算速度，这样才可以最大化的利用cpu的计算能力。比如：cpu的运算速度是每秒100条指令，但是如果存储器的速度是每秒最多能读取10条指令，那么cpu就有90%的时间是等待指令； 这样的存储器是有的，那就是寄存器，寄存器是和cpu同样材质制作的，速度和cpu一样快，当然价格也就和cpu一样了。

但是如果一台计算机，存储器都是寄存器的话，那造出来的计算机，肯定就是天价了，普通人都买不起。计算机的设计着综合：读写速度，空间大小，产品价格等因素采用了分层结构来实现，取了一个性价比最好的方案。

分层结构

如下所示，顶层的存储器（寄存器）读写速度较高，但是空间较小。底层的读写（比如硬盘）速度较低，但是空间较大。
寄存器和cpu速度相当，空间比较小在kb级别。
高速缓存比寄存器要慢1倍左右，但是空间可以达到MB级别。
内存比缓存要慢10倍左右，但是空间可以达到GB级别，当前个人电脑一般都不小于4G
硬盘这个速度更慢，比内存要慢上万被，千万被级别，但是价格也比较偏移，空间也很大。
其他存储光盘，软盘，usb外接的其他存储器，作为硬盘的一个补充，有便于携带的优点

总结：计算机的存储设计的这么复杂，并不是设计者故意要搞得麻烦，而是要兼顾性能和价格综合考量的一个因素，如果未来有一个存储产品，能达到当前寄存器的读取性能，而又可以做的空间极大，并且价格和硬盘一样，或者说比硬盘还便宜，且数据是掉电不丢失的话，那么计算机的存储结构肯定就被简化了，直接就只有一个存储器。

小贴士：现在买电脑时，存储器上，大家主要关注在了 内存大小和硬盘大小，但是从分层结构图上，可以看出缓存大小更加重要，（当然如果厂商公布寄存器大小的话，这个也要关注）。

寄存器

寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果，寄存器虽然也能存储数据，但同内存等存储器相比，寄存器又有自己独有的用途：其主要是CPU对内存中的数据进行处理时，往往先把数据取到寄存器中，而后再作处理，加快直接同内存读取指令和读写数据的速度。

高速缓存

高速缓冲存储器是存在于内存与CPU之间的存储器，容量比较小但速度比内存高得多，
接近于CPU的速度。高速缓存是是加速读取速度的一个桥梁（工具）。CPU向内存读取数据时，首先查询缓存区是否有对应数据，如果有则直接读取，没有再从内存中读取。高速缓存中存储的都是内存中的数据，这部分数据是cpu访问比较频繁的部分。

系统也会动态管理缓存中的数据，如果有数据访问频率降低到一定值，就从缓存中移除，而将内存中访问更加频发的数据替换进去。（高速缓存可以不只一级，可以有多级缓存区）

内存

这个才是计算机运行过程中的存储主力，用于存储 指令（编译好的代码段），运行中的各个静态，动态，临时变量，外部文件的指针等等。
前面提到的寄存器和高速缓存只是加速存储速度的中间部件，原始运行文件肯定都是先加入到内存中的，因此内存的大小决定了一个可运行程序的最大大小。
举例：如果内存大小是4G，一个程序装入内存需要大于4G空间的话，改程序是无法运行的，当然实际是还要去掉操作系统占用的内存，因此连4G都无法满足的。（当然现在有了虚拟内存，也就是将硬盘的一部分映射为内存空间，将不经常访问的指令放到虚拟内存中，这样其实是支持大于4G的程序的，这里只是在假设没有虚拟内存的情况下的举例说明）。

硬盘

硬盘这个东西，大家应该都比较熟悉，其优点是空间大，价格便宜，并且掉电数据不丢失。常常用来存储需要永久存储的文件。