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1 常用的存储器
1.1 随机访问存储器（RAM）
随机访问存储器分为两类：静态RAM和动态RAM。
静态RAM也叫SRAM（Static RAM），SRAM的每一个存储单元由6个晶体管电路实现，该电路具有双稳态性，只要有电，即使有外界干扰，在干扰消失时也会马上恢复稳态；
动态RAM也叫DRAM（Dynamic RAM），DRAM的每一个存储单元由1个电容和一个晶体管组成，其电路对干扰非常敏感，当电路状态被外界干扰扰乱后，就永远恢复不了了。而在电路中，由于多种情况会导致电路漏电，使得DRAM在10~100ms内失去电荷，所幸这段时间与计算机运行的时钟周期相比还是很长的，因此DRAM必须周期性地刷新电路，从而保持电路状态。
SRAM与DRAM相比，其成本更高，密集度更低，访问速度更快。SRAM往往应用于Cache，而DRAM则应用主存、帧缓冲区等。不过不管是SRAM还是DRAM，都是需要有电才能维持，一旦掉电，存储的信息就消失了。
1.2 磁盘
1.2.1 磁盘结构
磁盘相比于RAM，磁盘能够保存大量的数据，但是磁盘的访问速度则比RAM慢得多：比访问DRAM慢10万倍，比访问SRAM慢100万倍。磁盘的结构如下所示：
①磁盘是由盘片(platter)构成的，每个盘片有两个表面(surface)，表面覆盖着磁性材料。盘片中央有一个可以旋转的主轴，使得盘片以固定的旋转速率旋转，通常是5400-15000转/分钟(Revolution Per Minute,RPM)。
②每个表面由磁道(track,一组同心圆)组成。
③每个磁道被划分为一组扇区(sector)，每个扇区包含数量相等的数据位，这些数据编码在扇区上的磁性材料中。
④扇区之间由一些间隙(gap)分隔，间隙存储用来标识扇区的格式化位。
⑤柱面(cylinder)：所有盘片表面上到主轴中心的距离相等的磁道的集合。
1.2.2 磁盘容量
根据前面的分析可知，磁盘容量即是磁盘存储的数据大小，可以得出磁盘容量的计算公式如下：
磁盘容量 = 字节数/扇区 × 扇区数/磁道 × 磁道数/表面 × 表面数/盘片 × 盘片数/磁盘
需注意的是，这里的字节数/扇区是指的每个扇区上的字节数，而不是字节数除以扇区数。
举个例子，计算一个磁盘的容量，它有两个盘片，10000个柱面，每条磁道平均有400个扇区，而每个扇区有512个字节。
直接代入公式，磁盘容量 = 512×400×10000×2×2 = 8.192GB
1.2.3 磁盘操作
磁盘的读写操作时通过读写头实现的，每个盘面上都有一个读写头，并且所有读写头都是垂直排列，同步行动，在任何时刻，读写头都位于同一个柱面上。如图所示。
磁盘是以扇区大小的块来进行读写数据，对扇区的访问时间主要由三部分组成：寻道时间、旋转时间和传送时间。
为了读取目标扇区的数据，那么就需要先找到目标扇区，而要找到目标扇区，就需要先找到目标扇区所在的磁道。读写头移动到指定磁道所花的时间就叫寻道时间，通常为3~9ms；
读写头找到指定磁道后，就需要找到目标扇区了，在指定磁道上寻找目标扇区的时间就叫旋转时间，最好情况下，读写头刚刚寻道结束就落在了目标扇区上，此时旋转时间即为0，最坏情况下，读写头寻道结束后刚好错过目标扇区，那么就还需要等磁盘再转一圈才能找到目标扇区，这个时间刚好就是磁盘转一圈所花的时间，因此，平均旋转时间=磁盘旋转一圈的时间÷2；
读写头找到目标扇区后，就开始读或者写扇区的数据了，这个阶段所花的时间就叫传送时间，而传送时间其实就可以理解为读写头扫过一整个扇区所花的时间。由于一个磁道上的扇区都是平均分布的，因此磁盘转一圈的时间就相当于将磁道上所有扇区都扫过的总时间，那么将其除以磁道上的扇区数，就是扫过一个扇区所花的时间了。因此，传送时间=磁盘旋转一圈的时间÷扇区数。
举个例子，某磁盘的旋转速率为7200RPM，寻道时间为9ms，每条磁道的平均扇区数为400，求磁盘的平均访问时间。
首先，寻道时间为9ms是已知的，然后就是旋转时间，根据磁盘的转速求出其旋转时间为(1/2)*(60/7200)≈4ms，再求得其传送时间为(60/7200)*(1/400)≈0.02ms，因此整个访问时间大概为T=9ms+4ms+0.02ms=13.02ms。
2 存储器层次结构
我们知道，当程序运行后，代码会被加载到内存中，然后CPU从内存中取出指令并执行。但是实际上，不同存储技术的访问时间差异很大，往往容量越小的存储设备，其访问速度越快，当然成本也就越高；容量越大的存储设备，其访问速度就越慢，成本也就越低。如果让CPU直接从CPU里的寄存器访问数据，可能只需花费一个时钟周期即可；而如果让CPU直接从内存中访问数据，那就可能需要花几十或几百个时钟周期才行。并且随着技术的发展，CPU和主存之间的速度差距越来越大，如果仍然让CPU直接访问内存，那么CPU就需要长时间等着访问数据的结束，而这个等待的时间CPU可以做很多事情，这样明显就降低了CPU的效率。
为了降低这种情况带来的影响，就在CPU和主存之间加上一个小而快的设备，这个设备就叫高速缓存(cache)，CPU访问这个设备比直接访问主存快得多得多，这个设备就作为主存的数据对象的缓冲区域，CPU会先从cache中访问需要的数据，如果没有再去主存中找，一旦CPU从主存中访问到了某个数据，那么这个数据的副本便会保存在cache中。
虽然cache可以在一定程度上避免CPU直接访问主存，但是随着CPU与主存之间的性能差距越来越大，一片cache显然是不够的，因此就在CPU和主存中再插入cache，这样就有了一级高速缓存、二级高速缓存、三级高速缓存甚至四级高速缓存，而这些缓存之间的大小和访问速度也是有差异的。典型的存储器层次结构图如图所示：
在整个结构中，最上面的是L0，这一类是CPU中的寄存器，访问速度极快，通常CPU可在一个时钟周期内访问它们；然后是L1高速缓存，它和寄存器的访问速度几乎一样，典型的访问速度大概是4个时钟周期；接下来就是L2高速缓存，它的容量比L1更大，当然访问速度也就更慢了，大概可以在10个时钟周期内访问到它；有的系统中还会在L2高速缓存中插入L3高速缓存，它拥有比L2更大的容量，但是访问速度降到了50个时钟周期左右；接下来就是主存、磁盘以及远程存储等了，越往下容量越大，但访问速度越慢。
3 缓存
3.1 什么是缓存
前面说过，高速缓存中存储着更大、更慢设备中数据的副本，使用高速缓存的过程就称为缓存。在存储器层次结构图中，对于每个k，位于k层的更小更快的存储设备都作为位于k+1层的更大更慢的存储设备的缓存。换句话说，层次结构中的每一层都缓存这来自较低一层的数据的副本。例如，主存作为磁盘的缓存，L1作为L2的缓存，寄存器作为L1的缓存等等。
数据从第k+1层复制到第k层，是以块大小为传送单元的，任意一对相邻的层次之间块大小是固定的，但是不同相邻层次之间的块大小是可以不同的。比如，L1与L0之间传送的块大小为1个字节，而L2和L1之间传送的块大小为几十个字节。
3.2 缓存命中与缓存不命中
什么是缓存命中呢？如果CPU需要第k+1层中的某个数据d时，它就会先在第k层中中寻找d，如果正好第k层中有d，那么这就叫缓存命中，按照前面所说，访问第k+1层的速度必定是比访问第k层慢的，因此，缓存命中会加快数据的访问，从而提高效率。
而对于缓存不命中，当然就是指的第k层中没有数据d了，当发生缓存不命中时，那么第k层就会从第k+1层中取出包含d的那个块，如果此时第k层的缓存已经满了，就会用含d的那个块覆盖第k层中的某个块。那么到底覆盖哪个块呢？这就是个策略选择的问题了，如果是随机替换策略的话那就是用含d的块替换第k层中随机的一个块；如果是LRU替换策略的话，就是用含d的块替换掉最后一次使用最久远的块；如果是LFU替换策略的话，就是用含d的块替换掉使用频率最少的块。
另一方面，如果第k层的缓存是空的，那么访问任何数据都不会命中，这种不命中称为强制性不命中或冷不命中；还有一种就是不同数据在第k层的缓存中映射到同一个缓存块，那么缓存也不会命中，此时就会根据替换策略来放置该数据，这种不命中叫冲突不命中。
本文主要总结了一些相关概念，主要参考《深入理解计算机系统》一书。