计算机组成原理：Cache存储器与伪LRU算法解析

"该资源是关于计算机组成原理的第三章课件，主要讲解了存储系统的相关内容，特别是聚焦于片上Cache的伪LRU算法。" 在计算机系统中，存储器扮演着至关重要的角色，它是数据和指令的主要载体。80486芯片上的Cache就是一种高速缓冲存储器，用于提升处理器访问数据的速度。这里的"伪LRU算法"是针对Cache的一种替换策略，它试图模仿更复杂的LRU（最近最少使用）算法，但在硬件实现上更加简化，以降低成本和复杂性。 LRU算法的基本思想是，当Cache满时，最近最少使用的数据块会被替换出去，以腾出空间给新的数据。然而，真正的LRU在硬件实现上较为复杂，因为它需要跟踪每个数据块的访问历史。因此，"伪LRU"是通过一些简化的机制来近似实现这一目标，例如使用较少的位来标记数据块的使用状态。 存储器分为多个层次，从速度最快到最慢依次是寄存器、Cache、主存储器和辅助存储器。寄存器位于微处理器内部，提供最快的存取速度；Cache则作为一个缓冲层，减少处理器与主存之间的通信延迟；主存储器，如DRAM，是系统运行时程序和数据的主要存储区域；而辅助存储器，如硬盘，通常用于长期存储，具有较高的容量但速度较慢。 存储器的性能通常由几个关键指标衡量：存储容量、存取时间和存取周期。存储容量表示能存储多少数据，通常以字节（B）为单位，而存储器芯片则以位（b）为单位。存取时间是指从发起读写请求到数据实际读写完成所需的时间，而存取周期是连续两次存取操作之间所需的最小时间间隔。存储器带宽则是指单位时间内能传输的数据量，直接影响了系统的数据处理能力。 随机读写存储器（RAM）允许数据在任意位置的随机存取，而只读存储器（ROM）则在制造后其内容固定不变。根据信息的可保存性，存储器可分为挥发性和非挥发性，前者如RAM，在断电后会丢失数据，后者如Flash存储器，即使断电也能保持数据。 此外，虚拟存储器是一种技术，它使得程序可以运行在超过实际物理内存大小的地址空间中，通过将部分暂时不活跃的数据移动到辅助存储器来实现。这种技术结合了高速缓存和主存的特性，使得大型程序能够在中等规模的内存系统中运行。 本课件深入探讨了计算机存储系统的架构、分类以及关键技术，对于理解计算机如何高效地存储和处理信息至关重要。