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计算机采用多级存储器体系，以确保能够获得尽可能高的存取速率，同时保持较低的成本。存储器体系包括寄存器、Cache（高速缓存）、主存储器、磁盘存储器、光盘存储器、磁带存储器等。
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存储器中数据常用的存取方式有顺序存取、直接存取、随机存取和相联存取等4种。
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（1）顺序存取：存储器的数据以记录的形式进行组织。对数据的访问必须按特定的线性顺序进行。磁带存储器采用顺序存取的方式。
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（2）直接存取：与顺序存取相似，直接存取也使用一个共享的读写装置对所有的数据进行访问。但是每个数据块都拥有唯一的地址标识，读写装置可以直接移动到目的数据块的所在位置进行访问。存取时间也是可变的。磁盘存储器采用直接存取的方式。
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（3）随机存取：存储器的每一个可寻址单元都具有自己唯一的地址和读写装置，系统可以在相同的时间内对任意一个存储单元的数据进行访问，而与先前的访问序列无关。主存储器采用随机存取的方式。
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（4）相联存取：相联存取也是一种随机存取的形式，但是选择某一单元进行读写是取决于其内容而不是其地址。与普通的随机存取方式一样，每个单元都有自己的读写装置，读写时间也是一个常数。使用相联存取方式，可以对所有的存储单元的特定位进行比较，选择符合条件的单元进行访问。为了提高地址映射的速度，Cache采取相联存取的方式。
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存储器系统的性能主要由存取时间、存储器带宽、存储器周期和数据传输率等来衡量。
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主存储器也就是我们简称的主存或内存，根据工艺和技术不同，可分为下列几种。
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（1）RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）：RAM存储器既可以写入也可以读出，但断电后信息无法保存，因此只能用于暂存数据。RAM又可分为DRAM（Dynamic RAM，动态RAM）和SRAM（Static RAM，静态RAM）两种。DRAM的信息会随时间逐渐消失，因此需要定时对其进行刷新（refresh）维持信息不丢失；SRAM在不断电的情况下信息能够一直保持而不会丢失。DRAM的密度大于SRAM且更加便宜，但SRAM速度快，电路简单（勿需刷新电路），然而容量小，价格高。
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（2）ROM（Read Only Memory，只读存储器）：信息已固化在存储器中。ROM出厂时其内容由厂家用掩膜技术（mask）写好，只可读出，但无法改写。一般用于存放系统程序BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统）和用于微程序控制。
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（3）PROM（Programmable ROM，可编程ROM）：只能进行一次写入操作（与ROM相同），但是可以在出厂后，由用户使用特殊电子设备进行写入。
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（4）EPROM（Erasable PROM，可擦除的PROM）：其中的内容既可以读出，也可以写入。但是在一次写操作之前必须用紫外线照射15～20分钟以擦去所有信息，然后再写入。可以写多次。
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（5）E2PROM（Electrically EPROM，电可擦除EPROM）：与EPROM相似，可以读出也可写入，而且在写操作之前，不需要把以前内容先擦去。能够直接对寻址的字节或块进行修改，只不过写操作所需的时间远远大于读操作所需时间（每字节需几百ms），其集成度也较低。
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（6）闪速存储器（flash memory，闪存）：其性能介于EPROM与E2PROM之间。与E2PROM相似，可使用电信号进行删除操作。整块闪速存储器可以在数秒内删除，速度远快于EPROM；而且可以选择删除某一块而非整块芯片的内容，但还不能进行字节级别的删除操作。集成度与EPROM相当，高于E2PROM。
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（7）CAM（Content Addressable Memory，相联存储器）：CAM是一种特殊的存储器，是一种基于数据内容进行访问的存储设备。当对其写入数据时，CAM能够自动选择一个未用的空单元进行存储；当要读出数据时，不是给出其存储单元的地址，而是直接给出该数据或者该数据的一部分内容，CAM对所有的存储单元中的数据同时进行比较并标记符合条件的所有数据以供读取。由于比较是同时、并行进行的，所以这种基于数据内容进行读写的机制，其速度比基于地址进行读写的方式要快许多。
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辅助存储器用于存放当前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主机成批交换数据，是主存储器的后备，因此称之为辅助存储器；它又是主机的外部设备，又称之为外存储器。辅助存储器的最大特点是存储器容量大、可靠性高、价格低。常用的辅助存储器有磁带存储器、磁盘存储器和光盘存储器。
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磁带存储设备是一种顺序存取的设备，存取时间较长，但存储容量大，便于携带，价格便宜，所以也是一种主要的辅助存储器。磁带的内容由磁带机进行读写（最便宜也最慢）。按磁带机的读写方式主要可以分为两种，启停式和数据流式。
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启停式磁带机按带宽可以分为1/4英寸、1/2英寸和1英寸3种。磁带上的信息以文件块的形式存放。整盘磁带的开始有一卷标标明，然后有一初始空白块，用以适应磁带从静止到稳定带速所需时间。文件记录以文件头标志和文件尾标志标识，一个文件由若干数据块组成，每一数据块又由若干记录组成（一个数据块所包括的记录条数叫块因子）。数据块之间以空白块（gap）进行分隔，文件之间也存在一段空隙G。所有的文件都顺序地排列在磁带上，一个文件的长度不仅包括记录信息，也包括块间间隔。磁带机每一次读写信息的位数与磁带表面并行记录信息的磁道数有关：如7道、9道和16道，则分别有7、9、16个磁头并列，一次可以读写7位、9位或16位。
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数据流磁带机结构简单，价格低，数据传输速率快。其记录格式是串行逐道记录信息，每次读写1位信息，数据连续地写在磁带上，数据块之间以空隙分隔。磁带机不能在块间启停。读写顺序如下：（4个磁道）先从0道的首端（Beginning Of Tape, BOT）开始，到其末端（End Of Tape, EOT），然后第1道反向记录从EOT到BOT，而2道又正向从BOT到EOT，3道再反向。
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磁盘上的数据都存放于磁道上。磁道就是磁盘上的一组同心圆，其宽度与磁头的宽度相同。为了避免干扰，磁道与磁道之间要保持一定的间隔（inter-track gap），沿磁盘半径方向，单位长度内磁道的数目称之为道密度（道/英寸，TPI），最外层为0道。
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沿磁道方向，单位长度内存储二进制信息的个数叫位密度。为了简化电路设计，每个磁道存储的位数都是相同的，所以其位密度也随着从外向内而增加。磁盘的数据传输是以块为单位的，所以磁盘上的数据也以块的形式进行存放。这些块就称为扇区（sector），为了避免干扰，扇区之间也相互留有空隙（inter-sector gap）。若干个磁盘组成的磁盘组，所有盘面上相同位置的磁道组称为一个柱面（每个柱面有n个磁道）；若每个磁盘有m个磁道，则该磁盘组共有m个柱面。
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格式化容量：磁盘格式化后能够存储有用信息的总量。格式化容量=n×t×s×b，其中：n为保存数据的总盘面数；t为每面磁道数；s为每道的扇区数；b为每个扇区存储的字节数。
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磁盘的存取时间包括寻道时间和等待时间。寻道时间（查找时间，seek time）为磁头移动到目标磁道所需的时间，对于固定磁头磁盘而言，无需移动磁头，只需选择目标磁道对应的磁头即可。等待时间为等待读写的扇区旋转到磁头下方所用的时间。一般选用磁道旋转一周所用时间的一半作为平均等待时间。
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磁盘的数据传输速率是指磁头找到地址后，单位时间写入或读出的字节数。R=TB/T，其中：TB为一个磁道上记录的字节数，T为磁盘每转一圈所需的时间，R为数据传输速率。
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廉价磁盘冗余阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks, RAID）技术旨在缩小日益扩大的CPU速度和磁盘存储器速度之间的差距。其策略是用多个较小的磁盘驱动器替换单一的大容量磁盘驱动器，同时合理地在多个磁盘上分布存放数据以支持同时从多个磁盘进行读写，从而改善了系统的I/O（Input/Output，输入/输出）性能。RAID现在代表独立磁盘冗余阵列（Redundant Array of Independent Disks），用“Independent”来强调RAID技术所带来的性能改善和更高的可靠性。
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RAID机制中共分8个级别，RAID应用的主要技术有分块技术、交叉技术和重聚技术。
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（1）RAID 0级（无冗余和无校验的数据分块）：具有最高的I/O性能和最高的磁盘空间利用率，易管理，但系统的故障率高，属于非冗余系统，主要适用于那些关注性能、容量和价格而不是可靠性的应用。
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（2）RAID 1级（磁盘镜像阵列）：由磁盘对组成，每一个工作盘都有其对应的镜像盘，上面保存着与工作盘完全相同的数据拷贝，具有最高的安全性，但磁盘空间利用率只有50%。RAID 1主要用于存放系统软件、数据以及其他重要文件。它提供了数据的实时备份，一旦发生故障所有的关键数据即刻就可使用。
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（3）RAID 2级（采用纠错海明码的磁盘阵列）：采用了海明码纠错技术，用户需增加校验盘来提供单纠错和双验错功能。对数据的访问涉及阵列中的每一个盘。大量数据传输时I/O性能较高，但不利于小批量数据传输。实际应用中很少使用。
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（4）RAID 3和RAID 4级（采用奇偶校验码的磁盘阵列）：把奇偶校验码存放在一个独立的校验盘上。如果有一个盘失效，其上的数据可以通过对其他盘上的数据进行异或运算得到。读数据很快，但因为写入数据时要计算校验位，速度较慢。
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（5）RAID 5级（无独立校验盘的奇偶校验码磁盘阵列）：与RAID 4类似，但没有独立的校验盘，校验信息分布在组内所有盘上，对于大批量和小批量数据的读写性能都很好。RAID 4和RAID 5使用了独立存取技术，阵列中每一个磁盘都相互独立地操作，所以I/O请求可以并行处理。所以，该技术非常适合于I/O请求率高的应用而不太适合于要求高数据传输率的应用。与其他方案类似，RAID 4、RAID 5也应用了数据分块技术，但块的尺寸相对大一些。
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（6）RAID 6级（具有独立的数据硬盘与两个独立的分布式校验方案）：在RAID 6级的阵列中设置了一个专用的、可快速访问的异步校验盘。该盘具有独立的数据访问通路，但其性能改进有限，价格却很昂贵。
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（7）RAID 7级：（具有最优化的异步高I/O速率和高数据传输率的磁盘阵列）：是对RAID 6的改进。在这种阵列中的所有磁盘，都具有较高的传输速度，有着优异的性能，是目前最高档次的磁盘阵列。
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（8）RAID 10级：（高可靠性与高性能的组合）：由多个RAID等级组合而成，建立在RAID 0和RAID 1基础上。RAID 1是一个冗余的备份阵列，而RAID 0是负责数据读写的阵列，因此又称为RAID 0+1。由于利用了RAID 0极高的读写效率和RAID 1较高的数据保护和恢复能力，使RAID 10成为了一种性价比较高的等级，目前几乎所有的RAID控制卡都支持这一等级。
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光盘存储器是利用激光束在记录表面存储信息，根据激光束的反射光来读出信息。光盘存储器主要有CD（Compact Disk，压缩盘）、CD-ROM（Compact Disc Read-Only Memory，只读压缩盘）、CD-I（CD-Interactive，交互式光盘）、DVD（Digital Video Disc,数字视频光盘）以及EOD（Erasable Optical Disk，可擦除光盘）。CD-ROM的读取目前有三种方式：恒定角速度、恒定线速度和部分恒定角速度。
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CD-ROM非常适用于把大批量数据分发给大量的用户。与传统磁盘存储器相比，有以下优点：具有更大的容量，可靠性高，光盘的复制更简易，可更换，便于携带；其缺点是只读，存取时间比较长。
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DVD-ROM技术类似于CD-ROM技术，但是可以提供更高的存储容量。DVD可以分为单面单层、单面双层、双面单层和双面双层4种物理结构。
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Cache的功能是提高CPU数据输入输出的速率，突破所谓的“冯.诺依曼瓶颈”，即CPU与存储系统间数据传送带宽限制。高速存储器能以极高的速率进行数据的访问，但因其价格高昂，如果计算机的内存完全由这种高速存储器组成则会大大增加计算机的成本。通常在CPU和内存之间设置小容量的高速存储器Cache。Cache容量小但速度快，内存速度较低但容量大，通过优化调度算法，系统的性能会大大改善，仿佛其存储系统容量与内存相当而访问速度近似Cache。
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使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理。依据局部性原理，把内存中访问概率高的内容存放在Cache中，当CPU需要读取数据时就首先在Cache中查找是否有所需内容，如果有，则直接从Cache中读取；若没有，再从内存中读取该数据，然后同时送往CPU和Cache。如果CPU需要访问的内容大多都能在Cache中找到（称为访问命中），则可以大大提高系统性能。
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如果以h代表对Cache的访问命中率（“1-h”称为失效率，或者称为未命中率），t1表示Cache的周期时间，t2表示内存的周期时间，以读操作为例，使用“Cache+主存储器”的系统的平均周期为t3。则：
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系统的平均存储周期与命中率有很密切的关系，命中率的提高即使很小也能导致性能上的较大改善。
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例如，设某计算机主存的读/写时间为100ns，有一个指令和数据合一的Cache，已知该Cache的读/写时间为10ns，取指令的命中率为98%，取数的命中率为95%。在执行某类程序时，约有1/5指令需要存/取一个操作数。假设指令流水线在任何时候都不阻塞，则设置Cache后，每条指令的平均访存时间约为：
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（2%×100ns+98%×10ns）+1/5×（5%×100ns+95%×10ns）=14.7ns
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当CPU发出访存请求后，存储器地址先被送到Cache控制器以确定所需数据是否已在Cache中，若命中则直接对Cache进行访问。这个过程被称为Cache的地址映射（映像）。在Cache的地址映射中，主存和Cache将均分成容量相同的块（页）。常见的映射方法有直接映射、全相联映射和组相联映射。
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（1）直接映射。直接映射方式以随机存取存储器作为Cache存储器，硬件电路较简单。直接映射是一种多对一的映射关系，但一个主存块只能够复制到Cache的一个特定位置上去。
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例如，某Cache容量为16KB（即可用14位表示），每块的大小为16B（即可用4位表示），则说明其可分为1024块（可用10位表示）。则主存地址的最低4位为Cache的块内地址，然后接下来的中间10位为Cache块号。如果内存地址为1234E8F8H的话（一共32位），那么最后4位就是1000（对应十六进制数的最后一位“8”），而中间10位，则应从E8F（1110 1000 1111）中获取，得到10 1000 1111。因此，内存地址为1234E8F8H的单元装入的Cache地址为10 1000 1111 1000。
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直接映射方式的优点是比较容易实现，缺点是不够灵活，有可能使Cache的存储空间得不到充分利用。例如，假设Cache有8块，则主存的第1块与第17块同时复制到Cache的第1页，即使Cache其他页面空闲，也有一个主存页不能写入Cache。
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（2）全相联映射。全相联映射使用相联存储器组成的Cache存储器。在全相联映射方式中，主存的每一页可以映射到Cache的任一页。如果淘汰Cache中某一页的内容，则可调入任一主存页中的内容，因而较直接映射方式灵活。
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在全相联映射方式中，主存地址不能直接提取Cache页号，而是需要将主存页标记与Cache各页的标记逐个比较，直到找到标记符合的页（访问Cache命中），或者全部比较完后仍无符合的标记（访问Cache失败）。因此这种映射方式速度很慢，失掉了高速缓存的作用，这是全相联映射方式的最大缺点。如果让主存页标记与各Cache标记同时比较，则成本又太高。全相联映像方式因比较器电路难于设计和实现，只适用于小容量Cache。
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（3）组相联映射。组相联映射是直接映射和全相联映射的折中方案。它将Cache中的块再分成组，通过直接映射方式决定组号，通过全相联映射的方式决定Cache中的块号。在组相联映射方式中，主存中一个组内的块数与Cache的分组数相同。
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例如：容量为64块的Cache采用组相联方式映像，每块大小为128个字，每4块为一组。若主存容量为4096块，且以字编址，那么主存地址应该为多少位？主存区号（组号）为多少位？这样的题目，首先根据主存与Cache块的容量需一致，即每个内存块的大小也是128个字，因此共有128×4096个字（219个字），即主存地址需要19位。因为Cache分为16组，所以主存需要分为4096/16=256组，即28组，因此主存组号需8位。
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在组相联映射中，由于Cache中每组有若干可供选择的页，因而它在映像定位方面较直接映像方式灵活；每组页数有限，因此付出的代价不是很大，可以根据设计目标选择组内页数。
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当Cache产生了一次访问未命中之后，相应的数据应同时读入CPU和Cache。但是当Cache已存满数据后，新数据必须淘汰Cache中的某些旧数据。最常用的淘汰算法有随机淘汰法、先进先出法（First In and First Out, FIFO）和近期最少使用淘汰法（Least Recently Used, LRU）。其中平均命中率最高的是LRU算法。
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因为需要保证缓存在Cache中的数据与内存中的内容一致，相对读操作而言，Cache的写操作比较复杂，常用的有以下几种方法。
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（1）写直达（write through）。当要写Cache时，数据同时写回内存，有时也称为写通。
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（2）写回（write back）。CPU修改Cache的某一行后，相应的数据并不立即写入内存单元，而是当该行从Cache中被淘汰时，才把数据写回到内存中。
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（3）标记法。对Cache中的每一个数据设置一个有效位。当数据进入Cache后，有效位置1；而当CPU要对该数据进行修改时，数据只需写入内存并同时将该有效位清0。当要从Cache中读取数据时需要测试其有效位：若为1则直接从Cache中取数，否则从内存中取数。
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