4.2.1. CPU 暫存器

所有現今的處理器都包括了許多不同功能的暫存器，從儲存目前執行中指令的位址，到更一般的資料儲存與處理。CPU 暫存器的執行速度跟 CPU 的其他部份一樣；否則暫存器就會變成嚴重的瓶頸，影響系統效能。這是因為 CPU 的所有運作多少都跟暫存器有關。

CPU 暫存器的數目（與使用方式）與 CPU 本身的架構有著非常緊密的依存關係。除非使用另一種架構的處理器，否則您沒有辦法改變 CPU 暫存器的數目。也因為如此，CPU 暫存器的數目可被視為是個常數，要改變的話，必須花上很多精力與成本。

4.2.2. 快取記憶體

快取記憶體的作用是在有限而高速的 CPU 暫存器，以及比起來速度慢但容量大的主系統記憶體 — 通常稱為 RAM[1] — 之間，建立一個緩衝區。快取記憶體的運作速度跟 CPU 一樣，當 CPU 從快取記憶體中存取資料時，就不用花時間等待。

快 取記憶體的設計理念在於當 CPU 要從 RAM 中讀取資料時，系統硬體會先看看資料是不是在快取中。如果是，系統就會直接從快取中讀出資料，交給 CPU 使用，速度非常快；反之，資料如果不在快取裡，系統就會從 RAM 中讀取，再轉給 CPU 使用，同時把這筆資料存放在快取記憶體中（以備不時之需）。從處理器的角度來看，CPU 根本不知道發生了什麼事；而從快取記憶體與主記憶體中讀取資料的分別，僅在於傳回資料所花的時間而已。

就儲存容量而言，快取記憶體比 RAM 小得多。因此，主記憶體中的每筆資料不可能存放在快取中。因此，我們需要把快取切成數個區域，以對應 RAM 的不同區域。同時我們也需要一個機制，讓快取的每個區域在不同時間裡，將 RAM 中的資料讀入。即使快取記憶體與主記憶體的大小相差甚多，但以我們先前提到的循序存取、在近似地點發生的前提來看，一點點快取就可以有效改善大量主記憶體 的存取速度。

當資料從 CPU 寫回記憶體時，情況就有些複雜了。目前有兩種方式可以採用。這兩種方式一開始都是把資料寫到快取記憶體中。然而，快取的作用是在手邊保留部份記憶體的資 料，存取速度才快；如果資料改變，那麼快取記憶體與主記憶體中的資料，也要一起跟著變動。否則的話，兩者的資料就不同步了。

這兩種方法的不同處就在這裡。第一種快取方法稱為 write-through（寫透式、寫通式），會直接把資料寫回記憶體中。另一種快取方式是 write-back，會把資料寫回記憶體的時間延後，如果有個資料常常被修改，就可以降低不斷將資料寫回 RAM 的時間。

前 者的作法比較簡單，也因此最常見。後者就需要點技巧：除了儲存實際資料外，還需要一些機制把快取資料分類為乾淨的（clean，表示快取中的資料跟記憶體 中的相同），或骯髒的（dirty，表示快取中的資料已經被修改，但尚未反應到主記憶體中）。同時，我們還需要系統定期將標示為骯髒的快取資料，寫回主記 憶體裡面。

4.2.3. 主記憶體 — RAM

在現代的電腦中，RAM 是電子式儲存空間的大宗，紀錄了正在使用中的程式與資料。目前 RAM 的速度介於快取記憶體與硬碟之間，但大幅偏向前者，而非硬碟。

RAM 的基本概念非常直接扼要。在最底層的是記憶體晶片 — 實際「記憶」資料的整合電子線路。這些晶片會以四種通道與外在世界連接：

• 電源通道（提供電力讓晶片中的線路運作）

• 資料通道（讓資料可以寫入或傳出）

• 讀 / 寫通道（控制資料是要寫入晶片，還是從晶片中讀出）

• 位址通道（決定要讀 / 寫資料的位置）

底下是將資料存到記憶體的步驟：

1. 要儲存的資料會出現在資料通道上

2. 資料要存放的位置會出現在位址通道上。

3. 讀 / 寫通道會被設定為寫入模式。

而讀取資料的過程也一樣簡單：

1. 要讀出的資料位址會呈現在位址通道上。

2. 讀 / 寫通道會被設為讀取模式。

3. 要讀出的資料會透過資料通道讀出。

這些步驟看起來很簡單，都在彈指間完成，時間只以奈秒來計算。

現在記憶體晶片幾乎都以模組（modules）方式售出。每個模組都由一塊小小的電路板，焊上幾個記憶體晶片而成。不管是機械結構或電子佈線，記憶體模組都承襲的多種業界標準，讓您可以從不同的廠商手上，買到可用的記憶體。

	注意
	使用業界標準 RAM 的最大好處，在於能將記憶體模組的成本壓低。因為您並非只能從系統製造商手上買到模組。 雖然大部分電腦都使用業界標準的記憶體模組；但還是有例外。最常見的例子出現在筆記型電腦（雖然有一些標準化過程正在進行中）以及高階伺服器上。不過即使如此，如果這些系統非常普遍，也不是全新的設計，您可能可以從協力廠商處買到相容的模組。

4.2.4. 硬碟

至此我們討論的技術，都屬於揮發性（volatile）的。這意思是，當您關閉系統電源之後，這些資料都會不見。

相反地，硬碟則屬於非揮發性（non-volatile）的儲存裝置 — 即使關機，資料還是存在。也因為這個原因，硬碟在儲存家族中，佔有很獨特的地位。硬碟的非揮發性很適合拿來長期儲存程式與資料。另一個跟主記憶體或快取記憶體完全不同的地方，是您不能在硬碟上執行資料，一定要先將資料讀到 RAM 上面才可以。

另一個不同的地方是資料儲存與讀取的速度：跟快取與主記憶體等使用電子技術的裝置比起來，硬碟的速度慢多了。這速度差距主要來自硬碟的機械結構。硬碟的資料讀寫過程各有四個階段，底下是這四個階段，括弧裡面是高效能硬碟的平均執行時間：

• 移動存取臂（5.5 毫秒 - millisecond）

• 轉動磁盤（0.1 毫秒）

• 讀寫頭讀 / 寫資料（0.00014 毫秒）

• 資料藉由硬碟的電子結構傳輸（0.003 毫秒）

當然，只有最後一步跟機械結構無關。

	注意
	雖然硬碟還有很多東西值得探討，但這些技術都留待第5章，再為您詳細剖析。現在您只要記得 RAM 跟磁碟技術的分別，後者的容量差距至少是十倍、甚至百倍以上。

4.2.5. 離線備份儲存裝置

離線備份儲存空間跟硬碟比起來，又插上一大截：容量更大、但速度更慢。以容量來說，唯一的限制是您取得與儲存可移除媒體的能力。

用在這些裝置的實際技術差異很大，以下是幾種常見的類型：

• 磁帶

• 光碟片

當 然，使用可移除媒體（例如磁帶或光碟片）意味著存取時間會更長，特別是媒體不在機器中的時候尤然。您可以使用自動換片或換磁帶的機械裝置，以加快存取過 程；但這些裝置的能力畢竟有限。即使在最好的情形下，存取時間僅有幾秒；但跟使用高速硬碟的幾個毫秒比起來，速度實在太慢。

我們已經簡短瀏覽完目前常見的多種儲存技術，現在，就讓我們來看看基本的虛擬記憶體概念。