記憶體階層架構 (Memory Hierarchy) 是電腦系統設計中用來平衡存取速度、容量與成本的設計方法，從速度最快、容量小的記憶體層級到速度較慢、容量大的層級，逐漸形成一個金字塔形的結構。以下是各層級的詳細解說：

1. Level 0：CPU Registers

   • 功能：CPU內部暫存器，是最快速的記憶體，通常用於儲存即時計算數據，支援CPU的直接存取。
   • 容量與成本：容量非常小，但存取速度極快且成本高昂。
   • 角色：提供處理器快速取用數據的能力，以支援即時運算。

2. Level 1：Cache Memory (SRAM)

   • 功能：高階快取記憶體，主要由SRAM組成。SRAM比DRAM快，並且位於CPU附近或內部，以加速處理器對資料的存取。
   • 容量與成本：容量比暫存器稍大，但仍然有限，成本較高。
   • 角色：緩衝CPU和主記憶體之間的資料流，減少頻繁的主記憶體存取需求。

3. Level 2：Main Memory (DRAM)

   • 功能：主要記憶體，由DRAM構成，主要用於執行程式和臨時儲存運算所需的資料。
   • 容量與成本：容量中等且相對便宜，速度較快，適合進行程式執行的暫時性儲存。
   • 角色：提供執行程式所需的記憶體空間，並為快取記憶體提供支援。

4. Level 3：Secondary Storage (如磁碟儲存)

   • 功能：包括磁碟儲存和固態硬碟 (SSD) 等，提供大容量的長期儲存空間，用於儲存操作系統、應用程式和使用者數據。
   • 容量與成本：容量大且成本低，速度較慢。
   • 角色：主要用於長期數據保存和文件儲存，適合非即時存取的資料。

5. Level 4：Tertiary Storage (光碟、磁帶等)

   • 功能：包括光碟 (如CD、DVD) 和磁帶等，主要用於備份和長期保存不常使用的數據。
   • 容量與成本：容量大且成本最低，但存取速度最慢。
   • 角色：作為備份和長期存儲解決方案，適用於不頻繁存取的數據。

設計考量

• 存取速度：由上層往下，存取速度逐層遞減。暫存器與快取記憶體存取速度極快，而次級和三級儲存速度則較慢。
• 容量：自上層往下，記憶體容量逐漸增加。主記憶體、磁碟和磁帶擁有最大的存儲空間。
• 成本：每bit的存儲成本從上層到下層逐步下降。暫存器和快取的成本最高，而磁碟和磁帶的成本最低。

DRAM的組織與操作

• DRAM 組織：
  • DRAM 中，行位址 (Row Address) 與列位址 (Column Address) 用於定位單一資料位元。
  • 操作時，透過先選擇行位址 (RAS) 再選擇列位址 (CAS) 來讀取數據。
• 操作模式：
  • Page Mode：重複讀取同一行的資料，節省讀取時間。
  • Synchronous Operation：依靠時鐘同步進行讀取，一次地址訪問後可連續取數據。