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计算机组成原理

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:

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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