操作系统的存储结构及层次（含示意图）

CPU 只能从内存中加载指令，因此执行程序必须位于内存。通用计算机运行的大多数程序通常位于可读写内存，称为内存（main memory），也称为随机访问内存（Random Access Memory，RAM）。内存通常为动态随机访问内存（Dynamic Random Access Memory，DRAM），它采用半导体技术来实现。

计算机也使用其他形式的内存，如我们已经提到的只读内存（ROM）和电可擦可编程只读内存（EEPROM）。由于 ROM 不可修改，因此只能将静态程序（如引导程序）存在其中。ROM 的不可变性对游戏盒来说还是有用的。EEPROM 可以修改，但是不能经常修改，因此可以保存大多数的静态程序，例如，智能手机采用 EEPROM 来存储工厂安装的程序。

所有形式的内存都提供字节数组，每个字节都有地址。交互通过针对特定内存地址，执行一系列 load 或 store 指令来实现。指令 load 将内存字节或字保存到 CPU 寄存器，而指令 store 将寄存器内容保存到内存。除了明确使用 load 和 store 外，CPU 还会自动加载内存指令以便执行。

在冯•诺依曼体系结构（von Neumann architecture）上执行时，一个典型的指令执行周期是，首先从内存中获取指令，并存到指令寄存器（instruction register)。接着，该指令被解码，也可能会从内存中获取操作数据并且存到内部寄存器。在指令完成对操作数据的执行后，结果也可存到内存。

注意，内存单元只能看到内存地址的流，而并不知道它们如何产生（通过指令计数器、索引、间接、常量地址或其他方式）或它们是什么样（指令或数据）的地址。相应地，我们可以忽略程序如何产生内存地址，而只关注由程序运行所生成的地址序列。

在理想情况下，程序和数据都应永久驻留在内存中。由于以下两个原因，这是不可能的：

1. 内存通常太少，不能永久保存所有需要的程序和数据。
2. 内存是易失性的（volatile）存储设备，掉电时就会失去所有内容。

因此，大多数的计算机系统都提供外存（secondary storage）来扩充内存。外存的主要需求是，能够永久存储大量数据。最为常用的外存设备为硬盘或磁盘（Hard Disk Drive，HDD），它能存储程序和数据。大多数程序（系统与应用）都保存在磁盘上，当要执行时才加载到内存。许多程序都使用硬盘作为它们处理的起点和终点。因此，磁盘存储的管理是否适当，对计算机系统来说十分重要（这将在后续章节中加以讨论）。

从更广意义上来说，以上所述的存储结构（由寄存器、内存和磁盘组成的），仅仅只是多种存储系统的一种。除此之外，还有高速缓存、CD-ROM、磁带等。每个存储系统都可存储与保存数据，以便以后提取。各种存储系统的主要差异是速度、价格、大小和易失性。

图 1 存储设备的层次

根据速度和价格，各种不同的存储可按层次来分类（图 1）。层次越高，价格越贵，速度越快。从高到低，每个层次的价格通常会降低，而访问时间通常会增加。这种折中是合理的，如果一个给定存储系统比另一个更快更便宜，而其他属性一样，那么就没有理由使用更慢更昂贵的存储。

事实上，许多早期存储设备，如纸带和磁心存储器，之所以现在已经进入博物馆，就是因为磁带和半导体内存（semiconductor memory）已变得更快更便宜。图 1 中上面四层存储通常由半导体内存构成。

除了不同的速度和价格，存储系统还分为易失的和非易失的。当电源切断时，正如前面所讲，易失存储（volatile storage）会丢失内容。如果没有昂贵的电池和发电后备系统，那么数据应写到非易失存储（nonvolatile storage）以便安全保管。在图 1 所示的层次中，固态磁盘之上的存储系统为易失的，而之下的为非易失的。

固态磁盘（solid-state disk）有多种类型，一般来说都比磁盘要快，也是非易失的。一种类型的固态磁盘在运行时将数据保存在一个大的 DRAM 数组上，它有一个隐藏磁盘和一个作为备份电源的电池。当外部电源被中断时，固态磁盘控制器将数据从 RAM 复制到磁盘。当外部电源恢复后，控制器将数据复制到 RAM。

另一种固态磁盘是闪存，它在照相机、个人数字助理（Personal Digital Assistant，PDA）和机器人中很受欢迎，并越来越多地作为通用计算机的存储。闪存比 DRAM 慢，但是无需电源以便保存内容。

另一种非易失性存储器是 NVRAM，即具有备用电池的 DRAM。这种存储与 DRAM 一样快，且是非易失的（只要电池有电）。

完整存储系统的设计应当平衡所有以上讨论的各种因素：它应只使用必需的昂贵存储，而提供尽可能便宜的、非易失的存储。当两个存储组件的访问时间或传输速率具有明显差异时，可以通过高速缓存来改善性能。