目录

1.数据表示基础：bit/byte/word

1.1 bit（比特）

1.1.1定义

1.1.2物理本质

1.1.3系统层属性

1.2 byte（字节）

1.2.1定义

1.2.2存储系统编址

1.2.3存储访问

1.2.4数据组织与应用

1.2.5通信中的字节单位

1.2.6存储容量单位

1.3 Word（字）

1.3.1 定义与硬件基础

1.3.2 Word 与 CPU 位数

1.4 对比小结

2 存储器基础：内部存储RAM / ROM

2.1 存储器的基本概念

2.1.1 定义

2.1.2 存储器基本属性

2.2 RAM（Random Access Memory）

2.2.1 定义

2.2.2 RAM 的系统职责

2.2.3 SRAM（Static RAM）

典型应用

2.2.4 DRAM（Dynamic RAM）

2.3 ROM（Read-Only Memory）

2.3.1 基本定义

2.3.2 Mask ROM（掩膜只读存储器）

2.3.3 EEPROM（电可擦可编程只读存储器）

2.3.4 Flash Memory（闪存）

3 外部存储（Secondary Storage / Mass Storage）

3.1 基本概念

3.2 外部存储主要类型

3.2.1 磁存储（Magnetic Storage）

3.2.2 闪存存储（Flash Storage）

3.2.3 U盘 / SD 存储卡

3.2.4 嵌入式外部存储

3.2.5 光存储（Optical Storage）

3.2.6 磁带存储（Magnetic Tape）

3.3 外部存储分类总表

4 存储器层次结构（Memory Hierarchy）

4.1 基本概念

4.2 各层存储器说明

4.3 各层典型访问速度

4.4 数据流动过程

4.5 嵌入式系统中的存储结构

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1.数据表示基础：bit/byte/word

1.1 bit（比特）

1.1.1定义

        bit（Binary Digit） 是计算机信息表示的最小单位，用于表示 两种可区分的物理状态之一。

        bit = 一个可以被区分的物理二态

1.1.2物理本质

        在计算机硬件中，bit 本质上对应器件中的两种稳定物理状态。

        根据实现技术不同，可分为以下几类：

        A.半导体/电学类

• 电压高 / 低（信号线、寄存器、逻辑门）
• 电容电荷 有 / 无（DRAM动态随机存储器）
• 双稳态电路 状态 A / B（SRAM静态随机存储器、触发器/锁存器）
• 浮栅电子 有 / 无（SSD固态硬盘、Flash、EEPROM）

         B.磁学类

• 磁畴方向 ↑ / ↓（ HDD机械硬盘、磁带等磁存储）

1.1.3系统层属性

• bit 是最小状态单位
• bit 不可被单独寻址
• bit 不作为存储或运算的接口单位
• bit 必须依附在更高层结构（byte / word）中被组织与访问

1.1.4实际应用场景

        在计算机系统与嵌入式系统中，bit 主要应用于表示控制与状态信息，通常通过寄存器中的单个或多个 bit 实现。

        常见应用包括以下几类：

        （1）标志位（Flag）

        标志位用于表示某种条件是否成立，通常存在于 CPU状态寄存器 中。

        典型实例：

• 进位标志（Carry Flag，CF）
• 零标志（Zero Flag，ZF）
• 溢出标志（Overflow Flag，OF）

        （2）控制位（Control Bit）

        控制位用于 使能或禁用某些硬件功能。

        常见应用：中断使能位、DMA使能位、GPIO方向控制位

        例如：

        在 STM32 GPIO控制寄存器 中：

• MODER寄存器位用于设置GPIO模式

• OTYPER寄存器位用于设置输出类型

        控制逻辑示例：

        1 → Enable（使能）
        0 → Disable（禁用）

        （3）状态位（Status Bit）

        状态位用于 实时指示模块当前运行状态。

        典型实例：

• UART发送完成标志（TC）

• UART接收缓冲区非空标志（RXNE）

• DMA传输完成标志（TCIF）

        例如：

        在 STM32 UART状态寄存器（USART_SR） 中：

bit	含义
RXNE	接收数据寄存器非空
TXE	发送数据寄存器空
TC	发送完成

1.2 byte（字节）

1.2.1定义

        Byte（字节） 是计算机系统中最基本的数据组织单位。

                                                1 byte=8 bit

在现代计算机系统中，字节通常是存储系统的最小可编址单位。

1.2.2存储系统编址

大多数计算机采用 字节编址（Byte Addressing）。

其规则为：

• 每个存储地址对应 1 个字节

• 地址按字节连续排列

地址（16位地址空间）	数据
0x0000	第1个字节
0x0001	第2个字节
0x0002	第3个字节

因此：0x0000 – 0x0003表示 4 个连续字节

注意：地址是内存位置的标识（类似门牌号），而数据是存储在该位置的实际内容

如：地址0x0000存储数据0x1A（26的十六进制表示），表示该内存位置的实际内容为26，而门牌号为0

1.2.3存储访问

在字节编址系统中：

• 系统最小读取单位为 1 字节

• 系统最小写入单位为 1 字节

1.2.4数据组织与应用

在计算机系统中，数据以 字节序列 的形式存储。

多个连续字节可以构成不同的数据结构：

数据结构	说明
变量	单个数据
数组	相同类型数据集合
数据块	连续存储区域
数据帧	通信数据结构

常见的数据类型：

类型	字节数
char	1
short	2
int	4
float	4
double	8

例如：int a=10

即变量a在内存中占4字节

1.2.5通信中的字节单位

大多数通信接口以 字节为基本数据单位。

常见接口：

• UART

• SPI

• I²C

1.2.6存储容量单位

计算机存储容量通常使用二进制换算。

单位	换算
1 KB	1024 字节
1 MB	1024 KB
1 GB	1024 MB
1 TB	1024 GB

例如：

• 8 GB 内存 = 8×1024 字节

• 1 TB SSD = 1024字节

1.3 Word（字）

1.3.1 定义与硬件基础

Word（字） 是 CPU 一次并行处理的数据宽度。

在同一 CPU 架构 中，以下硬件部件的宽度通常保持一致：

• 通用寄存器

• 算术逻辑单元（ALU）

• CPU 内部数据通路

这一统一的数据宽度称为 word

Word 的大小直接决定：

• 单条指令可处理的 bit 数

• 寄存器单次可存储的数据量

• CPU 内部数据处理宽度

1.3.2 Word 与 CPU 位数

Word 的 bit 数 通常决定 CPU 的位数。

也就是说：

CPU 位数 = word 的 bit 数

例如：

• 32 位 CPU → word = 32 bit

• 64 位 CPU → word = 64 bit

常见 CPU 架构的 word 长度示例如下：

平台	CPU 内核	word
8 位单片机	8051	8 bit
16 位单片机	MSP430	16 bit
32 位嵌入式系统	ARM Cortex-M / ESP32	32 bit
早期 PC	Intel 80386	32 bit
现代电脑 / 服务器	x86-64 / ARMv8-A	64 bit

1.4 对比小结

概念	含义	大小	在计算机中的作用	类比
bit（比特）	最小的信息单位，只能表示两种状态	1 bit	表示 0 或 1，用于标志位、状态位等	一个灯泡：只有亮 / 灭
byte（字节）	基本的数据存储单位	8 bit	内存的最小编址单位，用于存储字符和基本数据	一个字母：例如字母 “A”
word（字）	CPU 一次并行处理的数据宽度	由 CPU 架构决定（如 32 bit / 64 bit）	CPU 处理数据、寄存器存储数据的基本单位	CPU 一次搬的一箱货物

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2 存储器基础：内部存储RAM / ROM

2.1 存储器的基本概念

2.1.1 定义

存储器（Memory） 是用于保存数据和程序的硬件结构。

基本特点：

• 数据以 字节（Byte） 为基本单位存储

• 每个数据通过 地址（Address） 访问

• CPU 通过 地址总线、控制总线、数据总线 与存储器通信

存储器访问流程：

CPU发出地址 → 控制信号(读/写) → 数据通过数据总线传输

总线	作用
地址总线	指定访问的存储地址
数据总线	传输数据
控制总线	指示读 / 写操作

2.1.2 存储器基本属性

属性	含义
是否可读	能否读取数据
是否可写	能否修改数据
掉电是否丢失	断电后数据是否保留
访问速度	读写延迟
容量	可存储数据量

掉电是否丢失 是区分 RAM 与 ROM 的核心标准，其根本差异体现在这些存储属性组合上。

根据存储特性不同，存储器主要分为：

• RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）

• ROM（Read-Only Memory，只读存储器）

2.2 RAM（Random Access Memory）

2.2.1 定义

RAM 是可读、可写且掉电后数据丢失的存储器。

CPU 在程序运行过程中会频繁访问 RAM

2.2.2 RAM 的系统职责

RAM 用于存放 程序运行过程中会变化的数据：

• 全局变量

• 局部变量

• 栈（Stack）

• 堆（Heap）

• 各类数据缓冲区

2.2.3 SRAM（Static RAM）

        定义

        SRAM 使用 双稳态触发器 作为存储单元。

        只要供电存在，数据即可保持。

        关键特性

属性	数值
存储单元	双稳态触发器
是否刷新	不需要
访问延迟	约 0.5–2 ns
密度	低
成本	高

典型应用

• 单片机内部 SRAM（如 STM32 SRAM）

• CPU Cache（L1 / L2 / L3）

实际案例：

• iPhone 14 A15 处理器

• L2 Cache 约 6MB SRAM

2.2.4 DRAM（Dynamic RAM）

        定义

        DRAM 使用 电容存储电荷 表示数据。

        由于电荷会逐渐泄漏，因此需要 周期性刷新（Refresh）。

        关键特性

属性	数值
存储单元	电容
是否刷新	需要
访问延迟	约 15 ns
密度	高
成本	低

典型应用

• 电脑主存

• 服务器内存

性能示例：

类型	带宽
DDR4-3200	25.6 GB/s
DDR5-4800	38.4 GB/s

2.3 ROM（Read-Only Memory）

2.3.1 基本定义

ROM 是掉电后数据不会丢失的非易失存储器。

系统运行过程中：

• 以 读取为主

• 写入通常 速度较慢、次数有限

ROM 主要存放：

• 程序代码

• 固件（Firmware）

• 启动信息

• 固化参数

系统上电后：

CPU通常首先从 ROM 中取指执行

2.3.2 Mask ROM（掩膜只读存储器）

定义

Mask ROM 在 芯片制造阶段 通过掩膜工艺写入程序。

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关键特性

属性	数值
是否可写	不可
擦写次数	0
成本	最低

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典型应用

• 早期计算器

• 玩具控制芯片

• 固定功能 ASIC

2.3.3 EEPROM（电可擦可编程只读存储器）

定义

EEPROM 是 可电擦写的非易失存储器。

支持 按字节擦除和写入。

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关键特性

属性	数值
擦写单位	字节
写入时间	≈ 5 ms / 字节
擦写寿命	10,000 ~ 1,000,000 次

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典型应用

• 设备配置参数

• 传感器校准数据

• MAC 地址

• 设备序列号

2.3.4 Flash Memory（闪存）

定义

Flash 是 以块为单位擦除的可编程 ROM。

关键特性

属性	数值
擦写单位	块（Sector / Page）
写入速度	快
擦写寿命	3,000 ~ 100,000 次
掉电数据	保留

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3 外部存储（Secondary Storage / Mass Storage）

3.1 基本概念

定义

外部存储（Secondary Storage） 是用于长期保存数据的存储设备。

特性

• 掉电后数据不会丢失（非易失性）

• 容量通常远大于 RAM

• 访问速度通常慢于主存

注意：外部存储并不属于ROM

访问方式

CPU 不能像访问 RAM 一样直接通过内存地址访问外部存储。

访问流程通常为：

CPU → I/O控制器 → 存储设备

数据需要通过 总线协议 传输，例如：

• SATA

• NVMe

• USB

• SCSI

3.2 外部存储主要类型

外部存储根据存储介质可分为：

• 磁存储

• 闪存存储

• 光存储

• 磁带存储

• 嵌入式存储

3.2.1 磁存储（Magnetic Storage）

HDD（Hard Disk Drive，机械硬盘）

定义

HDD 通过 磁盘表面的磁畴方向变化 存储数据。

关键特性

参数	数值
存储介质	磁盘
读写方式	磁头 + 旋转盘片
典型转速	5400 / 7200 RPM
随机访问延迟	5–10 ms

优缺点

优点：

• 容量大

• 成本低

缺点：

• 随机访问速度慢

• 机械结构易受震动影响

• ❌ 不适合作为系统盘❌ 不适合频繁随机读写

应用场景

• 冷数据存储

• 数据中心归档

• 大容量备份

3.2.2 闪存存储（Flash Storage）

SSD（Solid State Drive）——当前主流电脑必选 SSD

定义

SSD 使用 NAND Flash 作为存储介质。

内部包含：

• NAND Flash 芯片

• 控制器

• DRAM 缓存

控制器内部实现 FTL（Flash Translation Layer）：

• 地址映射

• 磨损均衡

• 坏块管理

3.2.3 U盘 / SD 存储卡

定义

U盘和 SD 卡是基于 NAND Flash 的便携存储设备。

特性

特点	应用
掉电保存	文件传输
便携	相机、嵌入式设备
接口	USB / SD
速度	一般

应用

• 相机存储卡

• 嵌入式设备存储

• 临时数据传输

3.2.4 嵌入式外部存储

eMMC / UFS

定义

eMMC（Embedded Multi Media Card）内嵌式存储器

UFS（Universal Flash Storage）通用闪存存储

属于 封装式 Flash 存储芯片。

控制器与 Flash 集成在同一封装内。

应用

• 手机

• 平板

• 嵌入式 Linux 开发板

3.2.5 光存储（Optical Storage）

定义

光存储通过 激光读写光盘表面结构 存储数据。

特性

属性	说明
读写方式	激光
访问速度	慢
稳定性	高

应用

• 软件发行

• 电影发行

• 长期归档

3.2.6 磁带存储（Magnetic Tape）

定义

磁带是一种 顺序访问存储设备。

关键特性

属性	数值
访问方式	顺序访问
成本	极低
容量	极大

3.3 外部存储分类总表

类型	介质	速度	成本	典型应用
HDD	磁盘	慢	低	大容量数据
SSD	NAND Flash	快	中	系统盘
U盘 / SD	NAND Flash	一般	中	便携存储
eMMC / UFS	NAND Flash	中	中	手机 / 嵌入式
光盘	光学	慢	低	软件发行
磁带	磁带	很慢	极低	冷备份

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4 存储器层次结构（Memory Hierarchy）

4.1 基本概念

计算机系统中的存储器按照 速度、容量和成本 形成一个 层次结构。

特点：

• 越靠近 CPU → 速度越快

• 容量越小

• 成本越高

相反：

• 越远离 CPU → 速度越慢

• 容量越大

成本越低

4.2 各层存储器说明

层级	类型	特点	典型容量
CPU寄存器	Register	速度最快	KB级
CPU缓存	Cache（SRAM）	非常快	MB级
主存	RAM（DRAM）	运行数据	GB级
程序存储	Flash	存程序	MB~GB
外部存储	SSD / HDD	长期存储	TB级

4.3 各层典型访问速度

存储器	访问延迟
寄存器	≈ 0.3 ns
L1 Cache	≈ 1 ns
L2 Cache	≈ 3 ns
DRAM	≈ 50–100 ns
SSD	≈ 100 µs
HDD	≈ 5–10 ms

4.4 数据流动过程

当 CPU 需要数据时，访问顺序通常是：

CPU寄存器 ↓ Cache（L1 → L2 → L3） ↓ 主存（RAM） ↓ 外部存储（SSD / HDD）

如果数据 在上层找不到：

就会继续向下层查找。

4.5 嵌入式系统中的存储结构

在单片机（如 STM32）中，结构通常是：

存储器	类型	作用
Flash	程序存储	存放代码
SRAM	RAM	存变量
外部存储	SD / eMMC	存数据