CPU，缓存，内存，外存结构图如下:
 
 
一：缓存
 
定义：凡是位于速度相差较大的两种硬件之间，用于协调两者数据传输速度差异的结构，均可称之为Cache
 被扩充概念：如今缓存的概念已被扩充，不仅在CPU和主内存之间有Cache，而且在内存和硬盘之间也有Cache（磁盘缓存），乃至在硬盘与网络之间也有某种意义上的Cache──称为Internet临时文件夹或网络内容缓存等。
 
存放的数据：内存中被CPU访问最频繁的数据和指令被复制入CPU中的缓存
 
 
作用：
 
用于协调两者数据传输速度差异的结构
 
 
实际例子：
 
缓存是CPU（Central Processing Unit）的一部分
 缓存（Cache memory）是硬盘控制器上的一块内存芯片
 （硬盘上的缓存：当硬盘存取零碎数据时需要不断地在硬盘与内存之间交换数据 ）
 
 
二：CPU
 
（1）组成
 
一般由逻辑运算单元、控制单元和存储单元（寄存器）组成
 
（2）为什么需要缓存
 
事例：
 1.因为缓存只是内存中少部分数据的复制品，所以CPU到缓存中寻找数据时，也会出现找不到的情况（因为这些数据没有从内存复制到缓存中去），这时CPU还是会到内存中去找数据，这样系统的速度就慢下来了，不过CPU会把这些数据复制到缓存中去，以便下一次不要再到内存中去取。 2.因为随着时间的变化，被访问得最频繁的数据不是一成不变的，也就是说，刚才还不频繁的数据，此时已经需要被频繁的访问，刚才还是最频繁的数据，现在又不频繁了，所以说缓存中的数据要经常按照一定的算法来更换，这样才能保证缓存中的数据是被访问最频繁的
 
（3）作用
 
 
缩短延迟
 
访问缓存的时间应该尽可能缩短，可以通过多种的方式缩短这个时间，比如能够通过减小缓存的大小或关联性来降低缓存的延迟，还有方式预测、增加带宽等方法。
 
 
提升命中率
 
所谓的命中率是在高速缓存中找到内存引用的速率，我们希望能够首先通过缓存中获得信息，以得到速度优势，所以缓存需要最大限度地实现这一目标。对于单个高速缓存，大小、关联性和块大小决定命中率。
 
 
降低更低级别内存下的开销
 
高速缓存是内存层次结构的一部分，其性能会影响其它性能，处理其它内存花费的时间越长，意味着系统性能越低，也就是说尽可能让处理在缓存中完成。
 
 
减少错失惩罚
 
缓存中不能命中是无法避免的事情，但是我们可以减少处理未命中所需的时间以获得更好的处理器性能，通过提升命中率并通过应用不同的优化，能够降低错失惩罚。
 
高速缓存是CPU中十分重要的部分，占据了大量的资源开销和成本，如果您看过CPU架构图的话，您就会发现缓存占据了至少50%的面积，绝对至关重要。
 
 
（4）CPU的多级缓存
 
 
一级缓存（L1 Cache）
 
CPU一级缓存，就是指CPU的第一层级的高速缓存，主要当担的工作是缓存指令和缓存数据。一级缓存的容量与结构对CPU性能影响十分大，但是由于它的结构比较复杂，又考虑到成本等因素，一般来说，CPU的一级缓存较小，通常CPU的一级缓存也就能做到256KB左右的水平。
 
 
二级缓存（L2 Cache66）
 
CPU二级缓存，就是指CPU的第二层级的高速缓存，而二级缓存的容量会直接影响到CPU的性能，二级缓存的容量越大越好。例如intel的第八代i7-8700处理器，共有六个核心数量，而每个核心都拥有256KB的二级缓存，属于各核心独享，这样二级缓存总数就达到了1.5MB。
 
 
三级缓存（L3 Cache）
 
CPU三级缓存，就是指CPU的第三层级的高速缓存，其作用是进一步降低内存的延迟，同时提升海量数据量计算时的性能。和一级缓存、二级缓存不同的是，三级缓存是核心共享的，能够将容量做的很大。
 
 
CPU的核心数量、高频高低都会影响性能，但如果让CPU更聪明、更有效率的执行计算任务，那么缓存的作用就至关重要了。
 
三：运行内存 与 物理内存 与虚拟内存 的区别
 
运行内存就是指的物理内存
 
事例：
 
正在运行的一个进程，他所需的内存是有可能大于内存条容量之和的：比如你的内存条是256M，你的程序却要创建一个2G的数据区。
 那么不是所有数据都能一起加载到内存（物理内存）中，势必有一部分数据要放到其他介质中（比如硬盘）。
 待进程需要访问那部分数据时，在通过调度进入物理内存。
 
虚拟内存是进程运行时所有内存空间的总和，并且可能有一部分不在物理内存中（也叫这个虚拟内存为内存交换区）
 物理内存就是我们平时所了解的内存条
 
四：内存与外存的区别
 
外存储器：磁性介质或光盘，像硬盘，软盘，磁带，CD
 内存储器（内存）：物理实质就是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路

计算机内存和外部存储之间的主要区别是易失性和非易失性，以及性能和容量之间的差别。

 1、易失性和易失性不同

 内存，例如随机存取内存（RAM），是具有易失性的。这意味着当系统断电时，数据就会丢失。与之相反，外部存储是非易失性的，因此即使没有电源，它也能保存数据。

 2、性能不同

 在大多数情况下，外存比内存的速度慢得多。而与外存不同的是，RAM直接通过更宽更快的总线连接到CPU。

 3、存储时长不同

 内存断电后不保留，外存能长期保留

 4、访问权限不同

 CPU只能直接访问内存，外存的东西要先到内存CPU才能处理。

关于统一内存和外存
 


 
文章目录
 
关于统一内存和外存
理想世界
记忆谱系
程序设计语言
   
Language Based System
疑问
 

 
理想世界
 
一台理想的计算机中有无限的存储空间。等一下，为什么需要存储空间？
 
我们为什么要使用计算机？这个问题其实还挺复杂的。先假设我们使用计算机纯粹为了做计算，更确切地，λ 演算。λ 演算只是一个将表达式归约到一个值的过程，存储的概念不在其中。所以，从概念上说，存储是实现计算所需，不是计算所需。
 
另一个更从实践角度出发的理想模型是图灵机。图灵机假设了无限的存储空间，其实也反映出存储是实现计算所必须，却又不是计算的一部分。身体是灵魂的必须，却不是灵魂的组分。
 
所以呢？所以体现内存结构的代码，可以被抽象隔离在计算之外。
 
记忆谱系
 
我们都知道，内存是分级的。可能在计算机刚诞生的时候就是如此了，因为在冯·诺伊曼的《计算机与人脑》中提到了”记忆谱系“。
 
我们也知道，计算的局部性原理，越快的存储越贵云云。
 
寄存器
高速缓存
内存
外存
 
程序设计语言
 
语言
暴露
隐藏
汇编
寄存器 内存（空间） 外存（硬盘）
高速缓存
C
内存（结构） 外存（文件）
寄存器 高速缓存
Java
内存（类） 外存（文件）
寄存器 高速缓存
SQL
外存（表）
寄存器 高速缓存 内存
SQL 不是通用的程序设计语言，可是我们难道不能用数据库管理系统的技术强化高级语言的运行时系统吗？
 
Language Based System
 
如果一切以计算为中心，那把计算机的操作系统设计为高级语言的运行时系统的拓展版就是很自然的思路了。
 
以 Java 虚拟机为例，它已经有了管理线程和内存（垃圾回收）的能力，何不赋予它管理外存的能力？这样一来，标记为 persistent 的对象（甚至可以是整个名称空间）将进入持久化名称空间，在某个时机写入外存。
 
这样的系统可能实现吗？请想想 SQL，难道不能用同样的技术支持高级语言的运行吗？
 
疑问
 
计算机还有控制等一系列接口技术的应用，它们是否破坏了设计？
 
我想，高级语言与外设的交互方式应当如此：
 
高级语言创建一个驱动程序包提供的数据结构（创建过程可以是主动的或者被动的）。
外存将数据”内存映射“到结构中。
 
之后，这个包含 IO 信息的数据结构就和其他数据结构无异了。

内存
 
内存（RAM）：内部存储器，用来运行程序的 一般分为SRAM与DRAM，区别如下：
 
SRAM  也称静态内存   特点就是容量小、价格高，优点是不需要软件初始化直接上电就能用
DRAM  也称动态内存   特点就是容量大、价格高，缺点是上电之后不能直接使用，需要软件初始化后才能使用
应用：
 
单片机中，内存需求量小，而且希望开发尽量简单，适合全部用SRAM。
PC机，内存需求量大，而且软件复杂，不在乎DRAM的初始化开销，适合全部用DRAM。
外存
 
NorFlash：特点是容量小，价格高，优点是可以和CPU直接总线式相连，CPU上电后可以直接读取，所以一般用作启动介质（启动代码）。
Nandflash：跟硬盘一样，容量大、价格低，缺点是不能总线式访问，也就是说上电之后CPU不能直接读取，需要CPU先运行一些初始化软件，然后通过时时序接口读写。
注意：CPU连接内存与外存的连接方式不一样。内存需要直接地址访问，所以是通过地址总线&&数据总线的总线式访问方式连接的（优点是直接访问，随机访问，缺点是占用CPU的地址空间，大小受限）；外存是通过CPU的外存接口来连接的（优点是不占用CPU的地址空间，缺点是访问速度没有总线式快，访问时序较复杂）。