1.3 · 記憶體類型

目標： 按速度、易失性、用途區分 RAM、ROM、cache 和儲存。

記憶體金字塔

            ▲   小、快、貴
            │
   ┌────────┴──────────┐  寄存器               (CPU 內, <1 ns)
   ├───────────────────┤  快取 (L1/L2/L3)      (CPU die, 1-30 ns)
   ├───────────────────┤  主存 (RAM)            (~80 ns)
   ├───────────────────┤  SSD                   (~50 μs)
   ├───────────────────┤  HDD                   (~5 ms)
   ├───────────────────┤  磁帶、光學歸檔        (秒)
            │
            ▼   大、慢、便宜

CPU 需要的資料越靠金字塔頂層越好。

RAM —— 隨機訪問記憶體

性質	值
易失性	易失（斷電丟資料）
速度	快（~80 ns）
用途	儲存執行中的程序與活躍資料
例子	PC 的 DDR4 / DDR5 模組、手機的 LPDDR

雙擊 App 時，OS 把其代碼從儲存複製到 RAM，CPU 可快速取指。

ROM —— 只讀記憶體

性質	值
易失性	非易失（無電也保留）
速度	讀取近 RAM
可寫	有限 / 不能（經典 ROM）
用途	固件（BIOS/UEFI、嵌入設備啓動代碼）

ROM 儲存必須經歷斷電仍存的指令 —— 通電後 CPU 跑的最早代碼。

現代變種：

• PROM（Programmable ROM） —— 寫一次。
• EPROM / EEPROM / Flash —— 可擦寫，但次數有限。

快取 Cache

性質	值
易失性	易失
速度	次於寄存器的最快（1–30 ns）
大小	小（現代 CPU 上 KB–MB）
用途	把常用資料放在 CPU 附近

CPU 先查快取；只在快取缺失時去 RAM。好的命中率能大幅提升性能。

層級：

層	速度	大小	備註
L1	~1 ns	每核數十 KB	分為指令 + 資料
L2	~3 ns	數百 KB	每核或共享
L3	~10 ns	幾 MB	跨核共享

與性能的關係

• 記憶體越大 → 能放更多打開的頁 / 文件。
• CPU 能支援的記憶體地址越多 → 可用記憶體越大（32 位 OS 上限約 4 GB；64 位 OS 支持 TB）。
• 字長越寬 → 每週期傳輸越多位。

容量單位 —— 著名的「1 KB」問題

單位（二進制）	位元組
1 位元組	8 位
1 KB	1,024 位元組
1 MB	1,024 KB
1 GB	1,024 MB
1 TB	1,024 GB

SI（十進制）版本用 1,000 而非 1,024。硬碟廠商用 SI 風格宣傳（「1 TB」= 10¹² 位元組），所以 Windows 顯示比盒子説的少。

實例 · 我電腦為什麼變慢

• 8 GB RAM，你開 25 個 Chrome 標籤 + 遊戲 + Photoshop。
• 綜合用量超過 RAM。OS 用分頁把塊換到 SSD（「虛擬記憶體」）。
• SSD 訪問比 RAM 慢約 1000 倍。
• App 卡頓，CPU 等分頁。

解藥：加 RAM 或少開 App。

學生常見錯誤

• 説 ROM 易失（不是）。
• 説快取等於 RAM（它更小、更快、在 CPU die 上）。
• 把固件（ROM 裏的軟件）與操作系統（從盤載入到 RAM）混淆。
• 聲稱 SSD 是 RAM 的一種（SSD 是非易失大容量儲存；只有 RAM 持執行資料）。

考試式題目

題（4 分）： 按易失性、典型用途、各舉一例資料，區分 RAM 與 ROM。然後解釋快取如何提升 CPU 性能。

參考答案：

• RAM：易失，執行程序的工作區（如打開的文件、活躍變數）。
• ROM：非易失，儲存須經歷斷電的固件（如啓動電腦的 BIOS/UEFI）。
• 快取：CPU 與 RAM 之間的小而極快的記憶體。把近用 / 常用資料與指令貼近 CPU，避開慢 RAM、降低平均記憶體時延，CPU 每秒能執行更多指令。

關鍵要點

• RAM = 易失工作區。
• ROM = 非易失固件庫。
• 快取 = CPU 上微小、最快的記憶體。
• 容量前綴在 IT 意義下用 1024；十進制 SI 用 1000。

➡️ 下一節：1.4 儲存設備