考研全科复习资料

408

计算机组成原理

CO-03-01 存储器分类与层次结构概述

一、定位信息

项目	内容
所属圈层	核心层
前置知识回顾	需了解二进制数据表示的基本概念，知道CPU由运算器和控制器组成，理解"存储"即保存二进制信息的基本含义
知识网络定位	本单元是第三章"存储器层次结构"的开篇总览，为后续SRAM/DRAM、Cache、虚拟存储器等具体技术建立分类框架和全局视野
考点热度等级	M级 — 存储器分类和层次结构常以选择题形式考查，近5年出现约2–3次，单次1–2分

二、知识点讲解

2.1 存储器的分类

存储器是计算机中用于存放程序和数据的部件。根据不同的分类标准，存储器可以从多个维度进行划分。

按在计算机中的作用（层次）分类：

主存储器（主存/内存）：CPU能够直接访问的存储器，存放当前运行的程序和数据。主存的特点是容量适中、速度较快、价格适中。主存通常由半导体存储器（DRAM）构成。
辅助存储器（辅存/外存）：CPU不能直接访问，必须先将数据调入主存才能被CPU使用。常见的辅存包括硬盘、固态硬盘（SSD）、光盘等。辅存的特点是容量大、速度慢、价格低。
高速缓冲存储器（Cache）：位于CPU和主存之间，用于解决CPU与主存之间的速度差异。Cache由SRAM构成，速度接近CPU、容量小、价格高。

按存储介质分类：

半导体存储器：用半导体器件存储信息，如SRAM、DRAM、ROM等。特点是体积小、速度快、集成度高。
磁表面存储器：用磁性材料的磁化状态存储信息，如硬盘、磁带。特点是容量大、成本低、可长期保存。
光存储器：用光学方式读写信息，如CD、DVD、蓝光光盘。

按存取方式分类：

随机存取存储器（RAM）：存取时间与存储单元的物理位置无关，可按地址随机访问任何单元。主存和Cache均属于RAM。
只读存储器（ROM）：正常工作时只能读出不能写入（特殊情况下可写入），断电后信息不丢失。
顺序存取存储器（SAM）：存取时间与存储单元的物理位置有关，必须按顺序访问，如磁带。
直接存取存储器（DAM）：先定位到一个小区域（寻道），再在该区域内顺序查找，如硬盘。

按信息的可保存性分类：

易失性存储器：断电后信息消失，如SRAM、DRAM。
非易失性存储器：断电后信息仍保持，如ROM、Flash、磁盘、光盘。

2.2 存储器的层次结构

现代计算机采用多级存储层次结构，其核心思想是：用少量高速存储器满足CPU的速度需求，用大量低速存储器满足容量需求，使整个存储系统在速度上接近最快层、在容量上接近最大层、在价格上接近最低层。

存储器层次结构从上到下依次为：

寄存器 ← CPU内部，速度最快、容量最小
  ↓
Cache（L1/L2/L3） ← 高速缓冲，SRAM实现
  ↓
主存储器（内存） ← DRAM实现
  ↓
辅助存储器（硬盘/SSD） ← 容量最大、速度最慢

层次结构的运行原理——局部性原理：

时间局部性：最近被访问的存储单元，在不久的将来很可能再次被访问（如循环中的变量）。
空间局部性：最近被访问的存储单元的邻近单元，在不久的将来很可能被访问（如数组的顺序遍历）。

正是因为程序运行具有局部性特征，才使得"将近期可能用到的数据放在更快的存储器中"这一策略有效，整个存储系统才能在宏观上表现出高速度、大容量、低成本的综合优势。

三、记忆与理解辅助

3.1 口诀记忆

口诀一："主辅Cach分三层，随机顺序看存取，易失断电记清楚"

三层：主存、辅存、Cache
存取方式：RAM随机、SAM顺序、DAM直接
易失性：DRAM/SRAM断电丢失，ROM/磁盘断电保留

口诀二："SRAM快贵做Cache，DRAM慢廉做主存"

3.2 对比表：存储器分类总结

分类维度	类别	典型代表	关键特征
按层次	主存	DRAM芯片	CPU直接访问，存放当前程序
	辅存	硬盘、SSD	CPU间接访问，存放大量数据
	Cache	SRAM芯片	CPU与主存之间的缓冲
按存取方式	RAM	SRAM、DRAM	随机访问，存取时间与位置无关
	ROM	EPROM、Flash	只读为主，断电保持
	SAM	磁带	严格顺序访问
	DAM	硬盘	先寻道再顺序查找
按可保存性	易失性	SRAM、DRAM	断电信息丢失
	非易失性	ROM、Flash、磁盘	断电信息保持

3.3 对比表：存储层次各级特性

层次	实现技术	容量	速度	成本/位	对CPU可见性
寄存器	触发器	几百B~几KB	最快（<1ns）	最高	直接可见
Cache	SRAM	几KB~几MB	快（1~10ns）	高	对程序员透明
主存	DRAM	几GB~几十GB	中等（50~100ns）	中等	直接可见
辅存	磁盘/SSD	几百GB~几TB	慢（ms级）	最低	需调入主存

3.4 关键概念辨析

"透明"的含义：在计算机术语中，"透明"指"看不到的、不需要关心的"。Cache对程序员透明，意味着程序员不需要知道Cache的存在，硬件自动管理数据在Cache和主存之间的调度。注意：这里的"透明"与日常用语中"透明=可见"的含义相反。

四、例题与精解

例题1（基础）

题目：下列关于存储器的说法中，正确的是（）。 A. 主存都是由DRAM构成的 B. Cache对程序员是可见的，程序员需要手动管理Cache C. 辅存中的数据可以直接被CPU访问 D. 存储器层次结构利用了程序的局部性原理

命题意图：考查存储器分类和层次结构的基本概念理解。

审题分析：逐项判断，需要理解主存构成、Cache的透明性、CPU访问范围、局部性原理。

解题思路：

A项：主存通常由DRAM构成，但也可以由其他技术实现，且ROM也属于主存的一部分。但"都是"过于绝对——实际上主存中包含RAM和ROM两部分，RAM通常用DRAM，ROM用其他技术。因此A不完全正确。
B项：Cache对程序员透明，硬件自动管理，程序员不需要手动管理。B错误。
C项：辅存中的数据必须先调入主存才能被CPU访问。C错误。
D项：正确。正是局部性原理使得存储层次结构有效运行。

答案：D

方法反思：对于"下列说法正确/错误"类选择题，关键词如"都是"、"直接"、"所有"往往是陷阱标志，需要注意绝对性表述。

例题2（中等）

题目：某计算机系统中，Cache的访问时间为2ns，主存的访问时间为50ns，Cache的命中率为95%。若CPU访问存储器共1000次，求：（1）Cache-主存系统的平均访问时间；（2）与全部访问主存相比，使用Cache后访问时间缩短了百分之几？

命题意图：考查Cache-主存系统平均访问时间的计算，这是存储器层次结构的核心定量计算。

审题分析：已知Cache命中率 $h=0.95$ ，Cache访问时间 $t_c=2\text{ns}$ ，主存访问时间 $t_m=50\text{ns}$ ，访问次数 $N=1000$ 。

解题思路：使用平均访问时间公式 $t_a = h \cdot t_c + (1-h) \cdot t_m$

完整步骤：

（1）平均访问时间：

$t_a = h \cdot t_c + (1-h) \cdot t_m$ $t_a = 0.95 \times 2 + (1-0.95) \times 50$ $t_a = 1.9 + 0.05 \times 50 = 1.9 + 2.5 = 4.4 \text{ns}$

（2）访问时间缩短比例：

全部访问主存的总时间： $1000 \times 50 = 50000 \text{ns}$

使用Cache后的总时间： $1000 \times 4.4 = 4400 \text{ns}$

缩短比例： $\frac{50000 - 4400}{50000} = \frac{45600}{50000} = 91.2\%$

方法反思：平均访问时间公式是存储器层次结构中最基本的公式之一。需注意此处假设Cache访问和主存访问是串行的（即Cache未命中时还需访问主存）。如果题目说明Cache访问与主存访问可以重叠（如同时发出请求），则公式不同。实际考试中默认采用串行模型。

五、考情分析

项目	内容
近5年考查频次	约2–3次（主要以选择题形式涉及存储器分类和层次结构概念）
常见题型	选择题为主
分值占比	1–2分/次
命题趋势	纯概念性选择题频率略有下降，但存储器层次结构的基本框架常作为Cache、虚拟存储器等大题的背景知识出现。近年更倾向于将层次结构概念与具体计算（如平均访问时间）结合考查

基于大纲与命题规律推测

六、易错点提醒

易错点1

错误表现：认为"主存=DRAM"，忽略了ROM也是主存的一部分
错误原因：日常语境中"内存"常等同于DRAM，但计算机体系中主存包括RAM（通常用DRAM实现）和ROM两部分
正确做法：主存 = RAM + ROM。RAM通常由DRAM实现，存放运行中的程序和数据；ROM存放BIOS等固件程序

易错点2

错误表现：认为Cache对程序员"可见"，需要程序员编写代码来管理数据在Cache中的存放
错误原因：混淆了"透明"在计算机术语中的含义。日常语境中"透明=可见"，计算机术语中"透明=看不见、无需关心"
正确做法：Cache由硬件自动管理，对程序员透明（即程序员无需关心）。程序员只需关注主存地址，硬件自动决定哪些数据放在Cache中

易错点3

错误表现：计算平均访问时间时，误用 $t_a = h \cdot t_c + t_m$ （漏乘 $(1-h)$ ）
错误原因：对命中/未命中的概率加权理解不清。未命中的概率是 $(1-h)$ ，需要用它来加权主存访问时间
正确做法：牢记公式 $t_a = h \cdot t_c + (1-h) \cdot t_m$ ，命中和未命中两种情况的概率之和必须为1

易错点4

错误表现：认为磁盘属于RAM（随机存取存储器）
错误原因：磁盘可以"随机"读写文件，但这里的"随机存取"是指存取时间与存储位置无关。磁盘需要寻道，访问不同位置的时间不同，属于DAM（直接存取存储器）
正确做法：RAM的核心特征是"存取时间与物理位置无关"，磁盘不满足此条件

七、来源标注

依据2026考研统考大纲（408-计算机组成原理-第三章"存储器层次结构"相关考点）
依据大学本科经典教材共识：唐朔飞《计算机组成原理》、白中英《计算机组成原理》

408 ​

计算机组成原理 ​

CO-03-01 存储器分类与层次结构概述 ​

一、定位信息 ​

二、知识点讲解 ​

2.1 存储器的分类 ​

2.2 存储器的层次结构 ​

三、记忆与理解辅助 ​

3.1 口诀记忆 ​

3.2 对比表：存储器分类总结 ​

3.3 对比表：存储层次各级特性 ​

3.4 关键概念辨析 ​

四、例题与精解 ​

例题1（基础） ​

例题2（中等） ​

五、考情分析 ​

六、易错点提醒 ​

易错点1 ​

易错点2 ​

易错点3 ​

易错点4 ​

七、来源标注 ​

408