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冯·诺依曼计算机结构中，一个非常重要的部件就是存储器。在理想情形下，存储器应该具备执行快、容量足和价格便宜等特点。但目前技术无法同时满足这三个目标，典型的分层级存储器结构如下图所示。
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存储器系统的顶层是CPU的寄存器，其速度和CPU速度相当。第二层是高速缓冲存储器Cache，和CPU速度接近。第三层是主存储器，也称为内部存储器或者RAM（Random Access Memory）。第四层是磁盘。存储器体系最后一层是光盘、磁带等。在存储器层次结构中，越靠近上层，速度越快，容量越小，单位存储容量价格越高。
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将上述两种或两种以上的存储器经过硬件、软件等组合在一起并对其进行管理，则构成存储器系统。Cache和主存可构成Cache存储系统；主存和磁盘构成虚拟存储系统。
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