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1.3.2 存储器
在任何一种计算机中的第二种主要部件都是存储器。在理想情形下，存储器应该极为迅速（快于执行一条指令，这样CPU不会受到存储器的限制），充分大，并且非常便宜。但是目前的技术无法同时满足这三个目标，于是出现了不同的处理方式。存储器系统采用一种分层次的结构，如图1-9所示。顶层的存储器速度较高，容量较小，与底层的存储器相比每位成本较高，其差别往往是十亿数量级。
存储器系统的顶层是CPU中的寄存器。它们用与CPU相同的材料制成，所以和CPU一样快。显然，访问它们是没有时延的。其典型的存储容量是，在32位CPU中为32×32位，而在64位CPU中为64×64位。在这两种情形下，其存储容量都小于1 KB。程序必须在软件中自行管理这些寄存器（即决定如何使用它们）。
下一层是高速缓存，它多数由硬件控制。主存被分割成高速缓存行（cache line），其典型大小为64个字节，地址0至63对应高速缓存行0，地址64至127对应高速缓存行1，以此类推。最常用的高速缓存行放置在CPU内部或者非常接近CPU的高速缓存中。当某个程序需要读一个存储字时，高速缓存硬件检查所需要的高速缓存行是否在高速缓存中。如果是，称为高速缓存命中，缓存满足了请求，就不需要通过总线把访问请求送往主存。高速缓存命中通常需要两个时钟周期。高速缓存未命中就必须访问内存，这要付出大量的时间代价。由于高速缓存的价格昂贵，所以其大小有限。有些机器具有两级甚至三级高速缓存，每一级高速缓存比前一级慢且容量更大。
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缓存在计算机科学的许多领域中起着重要的作用，并不仅仅只是RAM的缓存行。只要存在大量的资源可以划分为小的部分，那么，这些资源中的某些部分就会比其他部分更频繁地得到使用，通常缓存的使用会带来性能上的改善。操作系统一直在使用缓存。例如，多数操作系统在内存中保留频繁使用的文件（的一部分），以避免从磁盘中重复地调取这些文件。相似地，类似于
/home/ast/projects/minix3/src/kernel/clock.c
的长路径名转换成文件所在的磁盘地址的结果，也可以放入缓存，以避免重复寻找地址。还有，当一个Web页面（URL）的地址转换为网络地址（IP地址）后，这个转换结果也可以缓存起来以供将来使用。还有许多其他的类似的应用。
在任何缓存系统中，都有若干需要尽快考虑的问题，包括：
1)何时把一个新的内容放入缓存。
2)把新内容放在缓存的哪一行上。
3)在需要时，应该把哪个内容从缓存中移走。
4)应该把新移走的内容放在某个较大存储器的何处。
并不是每个问题的解决方案都符合每种缓存处理。对于CPU缓存中的主存缓存行，每当有缓存未命中时，就会调入新的内容。通常通过所引用内存地址的高位计算应该使用的缓存行。例如，对于64字节的4096缓存行，以及32位地址，其中6～17位用来定位缓存行，而0～5位则用来确定缓存行中的字节。在这个例子中，被移走内容的位置就是新数据要进入的位置，但是在有的系统中未必是这样。最后，当将一个缓存行的内容重写进主存时（该内容被缓存后，可能会被修改），通过该地址来惟一确定需重写的主存位置。
缓存是一种好方法，所以现代CPU中设计了两个缓存。第一级或称为L1缓存总是在CPU中，通常用来将已解码的指令调入CPU的执行引擎。对于那些频繁使用的数据字，多数芯片安排有第二个L1缓存。典型的L1缓存大小为16KB。另外，往往还设计有二级缓存，称为L2缓存，用来存放近来所使用过若干兆字节的内存字。L1和L2缓存之间的差别在于时序。对L1缓存的访问，不存在任何延时；而对L2缓存的访问，则会延时1或2个时钟周期。
在多核芯片中。设计师必须确定缓存的位置。在图1-8a中，一个L2缓存被所有的核共享。Intel多核芯片采用了这个方法。相反，在图1-8b中，每个核有其自己的L2缓存。AMD采用这个方法。不过每种策略都有自己的优缺点。例如，Intel的共享L2缓存需要有一种更复杂的缓存控制器，而AMD的方式在设法保持L2缓存一致性上存在困难。
在图1-9的层次结构中，再往下一层是主存。这是存储器系统的主力。主存通常称为随机访问存储器（Random Access Memory，RAM）。过去有时称之为磁芯存储器，因为在20世纪50年代和60年代，使用很小的可磁化的铁磁体制作主存。目前，存储器的容量在几百兆字节到若干吉字节之间，并且其容量正在迅速增长。所有不能在高速缓存中得到满足的访问请求都会转往主存。
除了主存之外，许多计算机已经在使用少量的非易失性随机访问存储器。它们与RAM不同，在电源切断之后，非易失性随机访问存储器并不丢失其内容。只读存储器（Read Only Memory，ROM）在工厂中就被编程完毕，然后再也不能被修改。ROM速度快且便宜。在有些计算机中，用于启动计算机的引导加载模块就存放在ROM中。另外，一些I/O卡也采用ROM处理底层设备控制。
EEPROM（Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM）和闪存（flash memory）也是非易失性的，但是与ROM相反，它们可以擦除和重写。不过重写它们需要比写入RAM更高数量级的时间，所以它们的使用方式与ROM相同，而其与众不同的特点使它们有可能通过字段重写的方式纠正所保存程序中的错误。
在便携式电子设备中，闪存通常作为存储媒介。闪存是数码相机中的胶卷，是便携式音乐播放器的磁盘，这仅仅是闪存用途中的两项。闪存在速度上介于RAM和磁盘之间。另外，与磁盘存储器不同，如果闪存擦除的次数过多，就被磨损了。
还有一类存储器是CMOS，它是易失性的。许多计算机利用CMOS存储器保持当前时间和日期。CMOS存储器和递增时间的时钟电路由一块小电池驱动，所以，即使计算机没有上电，时间也仍然可以正确地更新。CMOS存储器还可以保存配置参数，诸如，哪一个是启动磁盘等。之所以采用CMOS是因为它消耗的电能非常少，一块工厂原装的电池往往就能使用若干年。但是，当电池开始失效时，计算机就会出现“Alzheimer病症” [1] 计算机会忘记掉记忆多年的事物，比如应该由哪个磁盘启动等。
