存储器层次结构如何解释？

存储器层次结构可以从图片中清晰的看出来，图片中共分为六级，越向上的层次，存储器速度越快，容量更小，造价越高。

L0层为寄存器，寄存器从硬件的角度来说即触发器( flip-flop )， 通常一个触发器可以由两个锁存器( latcher )和逻辑块组成，触发器为边沿有效，锁存器为电平有效。寄存器集成在CPU内部，制作在CPU内的寄存器不可能容量太大，另一方面实际上CPU并不需要太多的寄存器，寄存器太多反而可能会减慢运行速度。目前的主流的片内寄存器数量为32个（或者64个？）。汇编语言中操作的寄存器也就是指的这些。寄存器由于在片内，避免了线延迟。

L1-L2为两级高速缓存( cache )，这两级存储为SRAM，s即static，指静态，最常见的SRAM为6T结构。高速缓存主要解决CPU计算速度和主存读写速度不匹配的问题，如果没有这两级，有关于内存的读写指令（如load和store）将会严重影响整体速度。高速缓存也一般集成在CPU上。目前主流CPU已经存在3级高速缓存。

L3为主存，即我们电脑中所谓的内存，为DRAM，d即dynamic，即动态，DRAM常见的有1T和3T结构，通过电容存储信号，需要经常刷新不然电荷会漏光。DRAM速度要低于SRAM，但可以明显看出1T只用了6T六分之一的晶体管，节省了六分之一的面积。

L4为磁盘内存，也就是我们所说的硬盘。以上的RAM都是掉电失去信息的，而硬盘中的内容掉电不会失去。目前机械硬盘主流的存储技术为闪存flash，基于EEPROM。

L5层为远端内存，比如网络服务器，这些的读写速度主要取决于网络延时。

为什么要采用这样的分层结构呢？

　　采用存储器层次结构的主要原因有以下几点：

　　性能与成本的平衡：不同类型的存储器在性能（如访问速度）和成本（包括制造成本、功耗等）之间存在权衡。高速存储器（如SRAM、Cache）访问速度快，但制造成本高、容量小；而低速存储器（如磁盘、DDR SDRAM）虽然访问速度慢，但制造成本低、容量大。通过构建层次结构，可以充分利用各种存储器的优势，实现性能与成本的平衡。

　　局部性原理：程序在执行过程中通常会表现出时间局部性和空间局部性。时间局部性指的是程序在某一时刻访问了某个数据后，在不久的将来还可能再次访问该数据；空间局部性则指的是程序在某一时刻访问了某个数据后，在不久的将来还可能访问其附近的数据。利用这些局部性特性，可以在高速缓存中存放最近访问过的数据和指令，从而提高访问速度。

　　减少平均访问时间：通过合理设计各级存储器的容量和访问速度，可以使得大部分数据访问都在高速缓存或主存储器中完成，从而显著减少平均访问时间。

　　管理复杂性：随着技术的发展，存储器的类型和容量都在不断增加。采用层次结构可以简化存储器的管理复杂性，使得系统更容易扩展和升级。

　　采用存储器层次结构是为了充分利用各种存储器的优势，实现性能与成本的平衡，同时利用程序的局部性特性来减少平均访问时间，并简化存储器的管理复杂性。这也是现代计算机系统中广泛采用存储器层次结构的原因。

        审核编辑：黄飞