存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)可以從圖片中清晰的看出來(lái)，圖片中共分為六級(jí)，越向上的層次，存儲(chǔ)器速度越快，容量更小，造價(jià)越高。

L0層為寄存器，寄存器從硬件的角度來(lái)說(shuō)即觸發(fā)器( flip-flop )， 通常一個(gè)觸發(fā)器可以由兩個(gè)鎖存器( latcher )和邏輯塊組成，觸發(fā)器為邊沿有效，鎖存器為電平有效。寄存器集成在CPU內(nèi)部，制作在CPU內(nèi)的寄存器不可能容量太大，另一方面實(shí)際上CPU并不需要太多的寄存器，寄存器太多反而可能會(huì)減慢運(yùn)行速度。目前的主流的片內(nèi)寄存器數(shù)量為32個(gè)（或者64個(gè)？）。匯編語(yǔ)言中操作的寄存器也就是指的這些。寄存器由于在片內(nèi)，避免了線延遲。

L1-L2為兩級(jí)高速緩存( cache )，這兩級(jí)存儲(chǔ)為SRAM，s即static，指靜態(tài)，最常見(jiàn)的SRAM為6T結(jié)構(gòu)。高速緩存主要解決CPU計(jì)算速度和主存讀寫(xiě)速度不匹配的問(wèn)題，如果沒(méi)有這兩級(jí)，有關(guān)于內(nèi)存的讀寫(xiě)指令（如load和store）將會(huì)嚴(yán)重影響整體速度。高速緩存也一般集成在CPU上。目前主流CPU已經(jīng)存在3級(jí)高速緩存。

L3為主存，即我們電腦中所謂的內(nèi)存，為DRAM，d即dynamic，即動(dòng)態(tài)，DRAM常見(jiàn)的有1T和3T結(jié)構(gòu)，通過(guò)電容存儲(chǔ)信號(hào)，需要經(jīng)常刷新不然電荷會(huì)漏光。DRAM速度要低于SRAM，但可以明顯看出1T只用了6T六分之一的晶體管，節(jié)省了六分之一的面積。

L4為磁盤(pán)內(nèi)存，也就是我們所說(shuō)的硬盤(pán)。以上的RAM都是掉電失去信息的，而硬盤(pán)中的內(nèi)容掉電不會(huì)失去。目前機(jī)械硬盤(pán)主流的存儲(chǔ)技術(shù)為閃存flash，基于EEPROM。

L5層為遠(yuǎn)端內(nèi)存，比如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，這些的讀寫(xiě)速度主要取決于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。

為什么要采用這樣的分層結(jié)構(gòu)呢？

采用存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的主要原因有以下幾點(diǎn)：

性能與成本的平衡：不同類(lèi)型的存儲(chǔ)器在性能（如訪問(wèn)速度）和成本（包括制造成本、功耗等）之間存在權(quán)衡。高速存儲(chǔ)器（如SRAM、Cache）訪問(wèn)速度快，但制造成本高、容量??；而低速存儲(chǔ)器（如磁盤(pán)、DDR SDRAM）雖然訪問(wèn)速度慢，但制造成本低、容量大。通過(guò)構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)，可以充分利用各種存儲(chǔ)器的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)性能與成本的平衡。

局部性原理：程序在執(zhí)行過(guò)程中通常會(huì)表現(xiàn)出時(shí)間局部性和空間局部性。時(shí)間局部性指的是程序在某一時(shí)刻訪問(wèn)了某個(gè)數(shù)據(jù)后，在不久的將來(lái)還可能再次訪問(wèn)該數(shù)據(jù)；空間局部性則指的是程序在某一時(shí)刻訪問(wèn)了某個(gè)數(shù)據(jù)后，在不久的將來(lái)還可能訪問(wèn)其附近的數(shù)據(jù)。利用這些局部性特性，可以在高速緩存中存放最近訪問(wèn)過(guò)的數(shù)據(jù)和指令，從而提高訪問(wèn)速度。

減少平均訪問(wèn)時(shí)間：通過(guò)合理設(shè)計(jì)各級(jí)存儲(chǔ)器的容量和訪問(wèn)速度，可以使得大部分?jǐn)?shù)據(jù)訪問(wèn)都在高速緩存或主存儲(chǔ)器中完成，從而顯著減少平均訪問(wèn)時(shí)間。

管理復(fù)雜性：隨著技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的類(lèi)型和容量都在不斷增加。采用層次結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化存儲(chǔ)器的管理復(fù)雜性，使得系統(tǒng)更容易擴(kuò)展和升級(jí)。

采用存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)是為了充分利用各種存儲(chǔ)器的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)性能與成本的平衡，同時(shí)利用程序的局部性特性來(lái)減少平均訪問(wèn)時(shí)間，并簡(jiǎn)化存儲(chǔ)器的管理復(fù)雜性。這也是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中廣泛采用存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的原因。

審核編輯：黃飛