【GESP】C++二级考试大纲知识点梳理, （1）计算机存储的基本概念及分类
GESP C++二级官方考试大纲中，共有9条考点，本文针对C++（1）号知识点进行总结梳理。
（1）了解计算机存储的基本概念及分类，了解随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和高速缓冲存储器（Cache）的功能及区别。
计算机存储是指计算机用来存储数据和程序的设备或介质。计算机的存储可以按 数据存储方式、存储器的访问速度、存储内容的可变性等维度进行分类。下面是对计算机存储的基本概念、分类以及常见存储器（RAM、ROM、Cache）功能和区别的详细说明：
一、了解计算机存储的基本概念及分类
存储器是计算机系统中用于存储程序、数据、以及中间计算结果的硬件设备。它是计算机系统的重要组成部分，与 CPU 直接交互，支持程序的执行和数据处理。存储器的性能直接影响计算机系统的运行速度、响应时间和总体性能。
（一） 存储器的概念
存储器是计算机系统中一个用于存储数据的硬件系统，它允许数据的写入、存储、和读取操作。存储器根据其性质、工作原理和用途的不同，可以分为不同的类型。通常，存储器可以按以下几个方面进行分类：
- 按存储器的访问方式：可以分为随机存储器（RAM）和顺序存储器（如磁带）；
- 按存储器的可变性：可以分为易失性存储器（Volatile Memory）和非易失性存储器（Non-Volatile Memory）；
- 按存储器的工作速度：可以分为主存储器（如 RAM）和辅助存储器（如硬盘、SSD）；
- 按存储的内容：可以分为数据存储器和程序存储器。
（二） 存储器的分类
根据存储器的不同特性和用途，常见的分类方式如下：
1. 按照存储器的访问方式
- 随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）：
- 特点：可以在任何时间访问任何位置的数据，存取速度快。
- 类型：
- 动态 RAM (DRAM)：存储的数据需要定期刷新，适合大量存储。
- 静态 RAM (SRAM)：不需要刷新，速度较快，但成本较高，适用于高速缓存（Cache）。
- 用途：RAM 用于计算机的主内存，存储正在运行的程序和临时数据。
- 顺序存取存储器（SAM，Sequential Access Memory）：
- 特点：数据只能按顺序访问，通常无法随机访问。顺序存储在读取时必须按特定顺序访问数据。
- 用途：如磁带存储。通常用于数据备份和归档，因为顺序访问较慢。
2. 按照存储器的易失性
- 易失性存储器（Volatile Memory）：
- 特点：当电源断开时，存储在易失性存储器中的数据会丢失。常用于存储计算机临时运行数据。
- 类型：
- RAM（随机存取存储器）：包括 DRAM 和 SRAM。
- 用途：用于存储计算机的操作系统、应用程序、以及当前正在执行的数据等。电源关闭时，这些数据会消失。
- 非易失性存储器（Non-Volatile Memory）：
- 特点：即使电源断开，数据仍然保持不变。适用于长期保存数据。
- 类型：
- ROM（只读存储器）：数据在制造时预先写入，通常用于存储计算机启动代码（如 BIOS）。
- 硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）：长期存储数据的设备。
- 光盘（CD/DVD）、磁带：常用于备份和长期存储数据。
- 用途：用于存储操作系统、应用程序、用户文件、配置文件等。
3. 按照存储器的存取速度
- 主存储器：
- 特点：是计算机的核心存储设备，直接连接到 CPU，存储正在运行的程序和临时数据。
- 类型：
- RAM（动态或静态 RAM）：高速、易失性存储器，处理器直接访问。
- Cache（高速缓存）：位于 CPU 与主存之间，极为快速，用来存储最近使用的数据或指令。
- 用途：临时存储正在运行的程序和数据。
- 辅助存储器：
- 特点：存储容量大，但访问速度较慢。用于长期存储数据和文件。
- 类型：
- 硬盘（HDD）：磁性存储，容量大，速度较慢，价格较低。
- 固态硬盘（SSD）：电子存储，无机械部件，速度比硬盘快，价格较高。
- 光盘（CD/DVD）、USB 存储器：用于数据备份、存储和传输。
- 用途：存储操作系统、软件、用户数据、备份等。
4. 按照存储器的工作原理
- 电子存储器（如 RAM、SSD、Flash）：使用电子元件存储数据，没有移动部件，速度快，抗震动能力强。
- 磁性存储器（如 HDD、磁带）：利用磁性介质存储数据，具有较大的存储容量，但存在机械部件，易受震动和磁场影响。
- 光学存储器（如 CD/DVD）：使用激光技术读写数据，适合于长期存储和数据备份，易受环境条件影响（如温度、湿度、光照等）。
（三） 存储器的选择和应用
选择合适的存储器类型通常取决于以下几个因素：
- 访问速度：对于需要快速响应的任务，如处理器缓存、主存储器，通常需要速度较快的存储器（如 RAM、Cache、SSD）。
- 存储容量：对于大规模数据存储（如文件存储、视频存储、数据库）。
二、了解随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和高速缓冲存储器（Cache）的功能及区别
(一) RAM（随机存取存储器）
RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）是计算机中的主要内存，用于存储正在运行的程序和数据。它具有以下特点：
- 易失性：RAM 是易失性存储器，当电源断开时，存储在 RAM 中的数据会丢失。
- 访问速度快：与其他类型的存储器（如硬盘）相比，RAM 的访问速度非常快，适合于需要频繁读写的数据。
- 读写功能：RAM 允许数据的读写操作，因此是计算机中最重要的工作存储设备。
RAM 的类型：
- 动态 RAM（DRAM）：需要定期刷新以保持数据。
- 静态 RAM（SRAM）：无需刷新，速度更快，但成本较高。
(二) ROM（只读存储器）
ROM（Read-Only Memory，只读存储器）是另一类常见的存储器，它具有以下特点：
- 非易失性：ROM 存储的数据在电源关闭后仍然保持，因此常用于存储计算机启动时需要的程序（如 BIOS 或固件）。
- 只读：ROM 是只读的，通常不能被用户写入。某些类型的 ROM（如 EPROM 和 EEPROM）可以通过特殊方式进行写入和擦除。
ROM 的类型：
- 传统 ROM：只支持读取，不支持写入。
- EPROM（可编程只读存储器）：可以通过紫外线擦除并重新编程。
- EEPROM（电可擦可编程只读存储器）：可以通过电流擦除并重新编程。
(三) Cache（高速缓存存储器）
Cache（高速缓存存储器）是一种速度更快的存储器，用于临时存储 CPU 经常访问的数据或指令。其作用是减少 CPU 与主内存之间的数据访问延迟。Cache 存储器通常位于 CPU 内部或与 CPU 紧密集成。
Cache 的特点：
- 速度非常快：Cache 是计算机中最快的存储设备之一，速度比 RAM 快数倍甚至数百倍。
- 容量较小：为了保证极高的存取速度，Cache 的容量通常较小。
- 层次结构：现代计算机通常有多个层次的缓存（L1、L2、L3）：
- L1 Cache：直接集成在 CPU 核心内部，速度最快，容量最小。
- L2 Cache：通常位于 CPU 和主内存之间，速度较快，容量较大。
- L3 Cache：一般是多个核心共享的缓存，速度较慢，但容量较大。
Cache 的工作原理：
- 当 CPU 需要访问某个数据时，首先检查是否该数据已经存在于 Cache 中（缓存命中）。如果缓存中有，则直接从 Cache 中获取数据，速度非常快。
- 如果数据不在 Cache 中（缓存未命中），则 CPU 会从主内存中获取数据，并将其存入 Cache 以备下次使用。
6. RAM、ROM 和 Cache 的区别
| 特性 | RAM | ROM | Cache |
|---|---|---|---|
| 存储内容 | 存储正在运行的程序和数据 | 存储计算机的固件或启动程序 | 存储 CPU 最常访问的数据或指令 |
| 可变性 | 可读可写 | 只读（某些类型可写） | 可读可写（动态缓存可以更新数据） |
| 易失性 | 易失性（电源断开后数据丢失） | 非易失性 | 非易失性（缓存中的数据在断电时丢失，但 CPU 恢复时会重新加载） |
| 访问速度 | 较快 | 较慢 | 非常快，远高于 RAM 和 ROM |
| 容量 | 容量较大 | 容量较小 | 容量非常小（通常几 KB 到几十 MB） |
三、其他常见存储器类型的补充介绍
硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）
- 硬盘（HDD）：基于磁性存储，具有较大的存储容量和较低的成本，但因为有机械部件，读取和写入速度较慢，容易受到震动和磁场干扰。
- 固态硬盘（SSD）：基于闪存技术，无机械部件，速度远快于硬盘，抗震动能力强，但价格较高，存储容量通常较硬盘小。
光盘（CD/DVD/Blu-ray）
- 定义：利用激光技术存储数据的光学介质，常用于数据备份和存储。
- 优点：适用于长期存储、耐久性较好。
- 缺点：读写速度较慢，易受物理损坏影响（划痕、光照等）。
闪存（USB、SD 卡等）
- 定义：一种非易失性存储介质，广泛用于存储数据和文件，具有较高的存取速度和便携性。
- 优点：容量较大，抗震动，不需要电池供电。
- 缺点：写入次数有限，频繁写入可能导致闪存损坏。
所有代码已上传至Github：https://github.com/lihongzheshuai/yummy-code
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