计算机 - 主存储器
计算机需要内存来存储数据和指令。内存在物理上被组织为大量单元，每个单元能够存储 1 bit 数据。从逻辑上讲，它们被组织为称为字的位组，并分配一个地址。通过这些memory address来访问数据和指令。这些内存地址的访问速度决定了内存的成本。内存速度越快，价格越高。
计算机内存可以说是以层次结构组织，其中访问速度最快、成本最高的内存位于顶层，而速度最低、因此成本最低的内存位于底层。根据这一标准，内存分为两种类型：primary和secondary。这里我们将详细介绍 primary memory。
什么是主存储器？
主存储器（或主内存）是计算机内存的一部分，可以被计算机 CPU 直接访问。主存储器速度更快，临时存储数据。计算机关闭时，主存储器中存储的数据会被擦除。因此，这些内存也被称为volatile memory。
主存储器的特点
主存储器与 secondary memory 区别的主要特点是 −
- 它由处理器直接访问
- 它是可用的最快内存
- 每个字都被存储以及
- 它是 volatile 的，即断电后内容丢失
由于主存储器价格昂贵，因此开发了技术来优化其使用。这些是可用的主要主存储器类型。
主存储器的类型
以下是主存储器的主要类型：
- RAM
- ROM
- Cache Memory
1. RAM (Random Access Memory)
RAM 代表 Random Access Memory。处理器直接访问所有内存地址，而不考虑字长，从而使存储和检索快速。RAM 是可用的最快内存，因此最昂贵。这两个因素意味着 RAM 的容量很小，通常最多 1GB。RAM 是 volatile 的，但可以是以下两种类型之一
i. DRAM (Dynamic RAM)
DRAM 中的每个内存单元由一个晶体管和一个电容器组成，用于存储 1 bit 数据。然而，这个单元会在不到千分之一秒的时间内开始丢失电荷，从而丢失存储的数据。因此，它需要每秒刷新数千次，这会占用处理器时间。然而，由于每个单元体积小，一个 DRAM 可以容纳大量单元。大多数个人计算机的主存储器都是由 DRAM 制成的。
ii. SRAM (SRAM)
SRAM 中的每个单元由一个 flip flop 组成，用于存储 1 bit。它在电源开启时保持位值，不像 DRAM 那样需要刷新。与 DRAM 相比，它还具有更短的读写周期。SRAM 用于专用应用。
iii. VRAM (Video Random-Access Memory)
Video Random-Access Memory (VRAM) 是一种专为视频卡和图形处理单元 (GPU) 设计的内存类型。它是内存中的一个特殊区域，用于存储图像、帧缓冲区和其他图形相关数据。
VRAM 设计用于处理在计算机显示器上渲染图形和图像的快速并行处理需求。它使 GPU 能够快速访问大量图形数据，从而渲染复杂的场景、纹理和动画。
2. ROM (Read Only Memory)
ROM 代表 Read Only Memory（只读存储器）。顾名思义，ROM 只能被处理器读取，无法向 ROM 中写入新数据。存储到 ROM 中的数据是在制造阶段写入的。这些数据是不需要更改的内容，例如计算机的启动序列或数学应用中的算法表。ROM 比 RAM 慢，因此成本更低。即使断电，ROM 也能保留数据，即它是 non-volatile（非易失性）的。ROM 无法像 RAM 那样被更改，但有技术可以对这类 ROM 进行编程 −
i. PROM (Programmable ROM)
PROM 可以使用称为 PROM programmer 或 PROM burner 的专用硬件设备进行编程。
ii. EPROM (Erasable Programmable ROM)
EPROM 可以使用特殊的电信号或紫外线（UV）擦除并重新编程。可以使用紫外线擦除的 EPROM 称为 UVEPROM，而使用电信号擦除的称为 EEPROM。不过，处理电信号比紫外线更容易且更安全。
iii. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)
信息由用户使用 EPROM programmer 写入。与 EPROM 不同，EEPROM 的数据使用电信号而非紫外线进行擦除。EEPROM 支持选择性数据擦除，成本高于其他 ROM 类型。由于其灵活性，它正逐渐流行。
3. Cache Memory
处理器可用于快速处理的少量高速 volatile memory 称为 cache memory（缓存存储器）。Cache 可以是主存储器的一部分、CPU 上的另一个芯片，或独立的的高速存储设备。Cache memory 由高速 SRAM 制成。将某些数据和指令保存在 cache memory 中以实现更快访问的过程称为 caching（缓存）。当一组数据或指令被反复访问时，就会进行 caching。
每当处理器需要某段数据或指令时，首先检查 cache。如果 cache 中没有，则访问主存储器，最后访问 secondary memory。由于 cache 速度非常高，每次访问它所花费的时间与数据确实在 cache 中时节省的时间相比可以忽略不计。在 cache 中找到数据或指令称为 cache hit（缓存命中）。