层次化存储器结构设计的依据是什么原理和特点

随着信息时代的发展，计算机存储器的需求也越来越大。为了满足这个需求，人们不断研究存储器结构，以提高存储器的容量和速度。其中，层次化存储器结构是一种常见的设计，其依据原理和特点如下。

一、原理

层次化存储器结构的设计依据一个简单的原理：越靠近处理器的存储器速度越快，但容量越小，越远离处理器的存储器速度越慢，但容量越大。这个原理可以用简单的比喻来解释。我们在日常生活中，往往把最常用的东西放在易于取用的地方，比如说手机、钥匙等东西。这些东西我们每天都会用到，所以我们把它们放在随手可取的位置。相反，我们很少用到的东西，比如说季节性衣物、节日装饰品等等，则可以放在不太容易取得的位置。这样，我们可以通过位置的划分来提高存取的效率（也可以看作节省时间和空间）。同样道理，层次化存储器结构也是通过这种原理来设计的。

二、特点

层次化存储器结构的设计特点主要有以下几点：

1.提高访问效率

因为越靠近处理器的存储器容量越小，所以其操作速度也很快。当处理器需要读取或写入一段数据时，首先会先到寄存器中查找，如果没有，则会去访问高速缓存存储器（Cache），再没有则访问扩展存储器（如固态硬盘、机械硬盘）等等。即便要到最慢的存储器（像磁盘这种机械设备）中读取数据，也在访问效率上得到了很大的提高。

2.平衡容量与速度

层次化存储器结构的设计让每一层内的存储器容量和读取速度在某种程度上达到了平衡。虽然处理器只有很小一部分能存储在寄存器中，但是通过层层过渡，处理器仍然可以读取到更多的数据。而由于各层存储器的特性和容量不同，设计者可以根据所需容量和速度的对比，来调整层次化存储器结构的具体参数。

3.节省成本

虽然高速缓存存储器（Cache）和寄存器的成本非常高，但因为其容量较小，可以只使用一小部分高质量零部件来制造。而扩展存储器，因为要求高容量和较低成本，在制造时就需要真正的实现“大规模生产”，比如以低速度为代价来提供容量的机械硬盘或光盘。

三、结语

综上所述，层次化存储器结构由于其访问效率高，容量和速度的平衡以及节省成本等优点，已经成为计算机存储器设计的重要手段。不过，现阶段云存储和大数据等新业务正在快速崛起，对存储器的需求也在不断增长。这将会促使层次化存储器结构继续发展，等到存储器技术升级到更高的层面，层次化存储器也会逐渐被其他新型存储器所代替。