计算机组成原理存储结构练习题

### 计算机组成原理中的存储结构练习题

#### 题目一：层次化存储器的理解
解释为什么现代计算机采用多层次的存储体系？这种设计如何影响程序执行效率？

多级存储系统的目的是为了平衡速度、容量和成本之间的关系。CPU寄存器提供最快的访问时间，但数量有限；高速缓存（Cache）位于处理器内部或靠近处理器的位置，具有较快的速度和相对较小的容量；主内存提供了更大的空间用于数据交换，而外部存储设备如硬盘则拥有最大的容量但是最慢的数据读取速率[^1]。

#### 题目二：虚拟地址到物理地址转换过程分析
描述操作系统是如何管理页面表来实现从应用程序使用的虚拟地址映射成实际硬件上的物理地址的过程。

当进程请求特定位置的数据时，它会给出一个基于其私有地址空间内的偏移量——即所谓的“虚拟地址”。通过查询当前运行进程中维护的一个叫做页表的数据结构，可以找到对应于该虚拟地址所在的帧号，在此基础上加上基址就构成了最终所需的物理地址。如果所需页面不在RAM中，则触发缺页异常并加载相应页面入内存。

#### 题目三：直接映像法与全相联映像法对比研究
比较两种不同类型的Cache映射策略—直接映像(Direct Mapping) 和完全关联(Fully Associative)，讨论它们各自的优缺点以及适用场景。

- **直接映像**: 每个主存块只能被放置在一个固定的cache行里，这使得替换算法变得简单高效，但也可能导致冲突丢失增加。

- **全相联映像**: 主存中的任何一块都可以放入任意可用的cache行内，虽然提高了命中率却增加了复杂度，因为每次都需要遍历整个tag数组来进行匹配操作.

// 示例代码展示简单的LRU Cache淘汰机制
class LRUCache {
public:
    int capacity;
    list<int> keys; // 双向链表保存最近最少使用的key顺序
    unordered_map<int, pair<list<int>::iterator,int>> cache;

    LRUCache(int _capacity): capacity(_capacity){}

    void put(int key, int value){
        auto it = cache.find(key);
        if(it != end(cache)){
            keys.erase(it->second.first); 
        }
        while(keys.size() >= capacity){
            removeLeastRecentlyUsed();
        }    
        keys.push_front(key);
        cache[key]={begin(keys),value};
    }

private:
    void removeLeastRecentlyUsed(){
        int lru_key=keys.back(); 
        keys.pop_back();
        cache.erase(lru_key);
    }
};