作業系統的儲存結構及層次（含示意圖）

CPU 只能從記憶體中載入指令，因此執行程式必須位於記憶體。通用計算機執行的大多數程式通常位於可讀寫記憶體，稱為記憶體（main memory），也稱為隨機存取記憶體（Random Access Memory，RAM）。記憶體通常為動態隨機存取記憶體（Dynamic Random Access Memory，DRAM），它採用半導體技術來實現。

計算機也使用其他形式的記憶體，如我們已經提到的唯讀記憶體（ROM）和電可擦可程式化唯讀記憶體（EEPROM）。由於 ROM 不可修改，因此只能將靜態程式（如載入程式）存在其中。ROM 的不可變性對遊戲盒來說還是有用的。EEPROM 可以修改，但是不能經常修改，因此可以儲存大多數的靜態程式，例如，智慧手機採用 EEPROM 來儲存工廠安裝的程式。

所有形式的記憶體都提供位元組陣列，每個位元組都有地址。互動通過針對特定記憶體地址，執行一系列 load 或 store 指令來實現。指令 load 將記憶體位元組或字儲存到 CPU 暫存器，而指令 store 將暫存器內容儲存到記憶體。除了明確使用 load 和 store 外，CPU 還會自動載入記憶體指令以便執行。

在馮•諾依曼體系結構（von Neumann architecture）上執行時，一個典型的指令執行週期是，首先從記憶體中獲取指令，並存到指令暫存器（instruction register)。接著，該指令被解碼，也可能會從記憶體中獲取運算元據並且存到內部暫存器。在指令完成對運算元據的執行後，結果也可存到記憶體。

注意，記憶體單元只能看到記憶體地址的流，而並不知道它們如何產生（通過指令計數器、索引、間接、常數地址或其他方式）或它們是什麼樣（指令或資料）的地址。相應地，我們可以忽略程式如何產生記憶體地址，而只關注由程式執行所生成的地址序列。

在理想情況下，程式和資料都應永久駐留在記憶體中。由於以下兩個原因，這是不可能的：

1. 記憶體通常太少，不能永久儲存所有需要的程式和資料。
2. 記憶體是易失性的（volatile）儲存裝置，掉電時就會失去所有內容。

因此，大多數的計算機系統都提供外存（secondary storage）來擴充記憶體。外存的主要需求是，能夠永久儲存大量資料。最為常用的外存裝置為硬碟或磁碟（Hard Disk Drive，HDD），它能儲存程序和資料。大多數程式（系統與應用）都儲存在磁碟上，當要執行時才載入到記憶體。許多程式都使用硬碟作為它們處理的起點和終點。因此，磁碟儲存的管理是否適當，對計算機系統來說十分重要（這將在後續章節中加以討論）。

從更廣意義上來說，以上所述的儲存結構（由暫存器、記憶體和磁碟組成的），僅僅只是多種儲存系統的一種。除此之外，還有快取記憶體、CD-ROM、磁帶等。每個儲存系統都可儲存與儲存資料，以便以後提取。各種儲存系統的主要差異是速度、價格、大小和易失性。

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