存储器层次结构
存储器层次结构
本章将深入探讨计算机存储系统的核心概念,从基础的存储器分类到高级的虚拟存储技术。通过模块化的学习,你将掌握现代计算机存储系统的设计原理和实现技术。
📚 学习路径
1. 存储器基础概念
- 存储器的分类:按存储介质、访问方式、功能分类
- 层次结构:寄存器 → Cache → 主存 → 辅存
- 半导体存储器:SRAM、DRAM、ROM、Flash
- 主存与 CPU 连接:总线连接、存储器映射、地址译码
2. Cache 技术
- Cache 基本原理:局部性原理、工作过程、性能指标
- 映射方式:直接映射、全相联映射、组相联映射
- 替换算法:FIFO、LRU、LFU、CLOCK 算法
- 写策略:写直达、写回、写分配、写不分配
- 多级 Cache:L1、L2 Cache 结构
3. 虚拟存储器
- 基本概念:虚拟地址、物理地址、地址转换
- 页式虚拟存储器:页面、页框、页表结构
- 段式虚拟存储器:段、段表、地址转换
- 段页式虚拟存储器:结合段式和页式优点
- TLB 快表:加速地址转换、性能优化
4. 综合练习题
- 基础概念题:存储器分类、层次结构
- 技术分析题:Cache 映射、虚拟存储器
- 计算题:Cache 行数、地址结构计算
- 性能分析题:写策略对性能的影响
🎯 学习目标
通过本章学习,你将能够:
-
理解存储系统:
- 掌握存储器的分类和特点
- 理解层次化存储的设计原理
- 分析不同存储器的应用场景
-
掌握 Cache 技术:
- 理解 Cache 的工作原理和性能指标
- 掌握不同的映射方式和替换算法
- 分析 Cache 对系统性能的影响
-
掌握虚拟存储:
- 理解虚拟存储器的基本概念和优势
- 掌握页式、段式、段页式虚拟存储
- 理解 TLB 的作用和优化方法
-
应用实践:
- 能够计算 Cache 参数和地址结构
- 分析存储系统的性能瓶颈
- 设计优化的存储方案
🔧 关键技术
局部性原理
- 时间局部性:程序倾向于重复访问相同数据
- 空间局部性:程序倾向于访问相邻数据
- 应用:指导 Cache 设计和优化
Cache 映射技术
- 直接映射:简单快速,冲突率高
- 全相联映射:冲突率低,实现复杂
- 组相联映射:平衡性能和复杂度
虚拟存储技术
- 地址转换:虚拟地址到物理地址的映射
- 页面置换:内存不足时的页面管理
- TLB 优化:加速地址转换过程
📊 性能指标
Cache 性能
- 命中率:反映 Cache 效果的关键指标
- 访问时间:影响系统整体性能
- Cache 效率:综合性能评估
虚拟存储性能
- 地址转换时间:影响程序执行效率
- 页面置换效率:影响内存利用率
- TLB 命中率:影响地址转换速度
🚀 实践应用
系统优化
- Cache 优化:选择合适的映射方式和替换算法
- 内存管理:优化虚拟存储器的配置
- 性能调优:分析存储系统的性能瓶颈
硬件设计
- Cache 设计:根据应用需求设计 Cache 参数
- 存储层次:设计多级存储系统
- 地址转换:优化 TLB 和页表设计
继续学习:04. 指令系统