1.3 · 内存类型

目标： 按速度、易失性、用途区分 RAM、ROM、cache 和储存。

内存金字塔

            ▲   小、快、贵
            │
   ┌────────┴──────────┐  寄存器               (CPU 内, <1 ns)
   ├───────────────────┤  缓存 (L1/L2/L3)      (CPU die, 1-30 ns)
   ├───────────────────┤  主存 (RAM)            (~80 ns)
   ├───────────────────┤  SSD                   (~50 μs)
   ├───────────────────┤  HDD                   (~5 ms)
   ├───────────────────┤  磁带、光学归档        (秒)
            │
            ▼   大、慢、便宜

CPU 需要的数据越靠金字塔顶层越好。

RAM —— 随机访问内存

性质	值
易失性	易失（断电丢数据）
速度	快（~80 ns）
用途	储存运行中的程序与活跃数据
例子	PC 的 DDR4 / DDR5 模组、手机的 LPDDR

双击 App 时，OS 把其代码从储存复制到 RAM，CPU 可快速取指。

ROM —— 只读内存

性质	值
易失性	非易失（无电也保留）
速度	读取近 RAM
可写	有限 / 不能（经典 ROM）
用途	固件（BIOS/UEFI、嵌入设备启动代码）

ROM 储存必须经历断电仍存的指令 —— 通电后 CPU 跑的最早代码。

现代变种：

• PROM（Programmable ROM） —— 写一次。
• EPROM / EEPROM / Flash —— 可擦写，但次数有限。

缓存 Cache

性质	值
易失性	易失
速度	次于寄存器的最快（1–30 ns）
大小	小（现代 CPU 上 KB–MB）
用途	把常用数据放在 CPU 附近

CPU 先查缓存；只在缓存缺失时去 RAM。好的命中率能大幅提升性能。

层级：

层	速度	大小	备注
L1	~1 ns	每核数十 KB	分为指令 + 数据
L2	~3 ns	数百 KB	每核或共享
L3	~10 ns	几 MB	跨核共享

与性能的关系

• 内存越大 → 能放更多打开的页 / 文件。
• CPU 能支援的内存地址越多 → 可用内存越大（32 位 OS 上限约 4 GB；64 位 OS 支持 TB）。
• 字长越宽 → 每周期传输越多位。

容量单位 —— 著名的「1 KB」问题

单位（二进制）	字节
1 字节	8 位
1 KB	1,024 字节
1 MB	1,024 KB
1 GB	1,024 MB
1 TB	1,024 GB

SI（十进制）版本用 1,000 而非 1,024。硬盘厂商用 SI 风格宣传（「1 TB」= 10¹² 字节），所以 Windows 显示比盒子说的少。

实例 · 我电脑为什么变慢

• 8 GB RAM，你开 25 个 Chrome 标签 + 游戏 + Photoshop。
• 综合用量超过 RAM。OS 用分页把块换到 SSD（「虚拟内存」）。
• SSD 访问比 RAM 慢约 1000 倍。
• App 卡顿，CPU 等分页。

解药：加 RAM 或少开 App。

学生常见错误

• 说 ROM 易失（不是）。
• 说缓存等于 RAM（它更小、更快、在 CPU die 上）。
• 把固件（ROM 里的软件）与操作系统（从盘加载到 RAM）混淆。
• 声称 SSD 是 RAM 的一种（SSD 是非易失大容量储存；只有 RAM 持运行数据）。

考试式题目

题（4 分）： 按易失性、典型用途、各举一例数据，区分 RAM 与 ROM。然后解释缓存如何提升 CPU 性能。

参考答案：

• RAM：易失，运行程序的工作区（如打开的文档、活跃变量）。
• ROM：非易失，储存须经历断电的固件（如启动电脑的 BIOS/UEFI）。
• 缓存：CPU 与 RAM 之间的小而极快的内存。把近用 / 常用数据与指令贴近 CPU，避开慢 RAM、降低平均内存时延，CPU 每秒能执行更多指令。

关键要点

• RAM = 易失工作区。
• ROM = 非易失固件库。
• 缓存 = CPU 上微小、最快的内存。
• 容量前缀在 IT 意义下用 1024；十进制 SI 用 1000。

➡️ 下一节：1.4 储存设备