存储器系统详解：层次结构与局部性原理

“微型计算机课件：第五章 存储器系统.pdf” 微型计算机的存储系统是计算机硬件的重要组成部分，它负责存储程序、数据和指令。本章主要探讨了存储器系统的几个关键方面，包括基本参数、层次结构以及访问的局部性原理。 一、存储系统的参数 存储系统的三个基本参数是容量、速度和成本。容量通常以位（bit）为单位衡量，表示存储系统能存储的信息量。速度则涉及到访问时间和带宽，访问时间（TA）是从接收读取请求到数据出现在输出端所需的时间，而存储周期（TM）是连续两次启动存储操作的最小时间间隔。带宽（BM）是指单位时间内传输数据的能力，与数据总线宽度（w）有关。成本则通常以每位的价格来表示，是设计存储系统时必须考虑的重要因素。 二、存储系统的层次结构 存储系统通常采用多级层次结构，从快速但昂贵的寄存器和高速缓存（Cache），到较慢但容量大的主存储器（如SRAM和DRAM），再到成本效益高的辅助存储器（如磁盘和磁带）。这种分层设计基于存储器访问的局部性原理，即处理器倾向于在一个较小区间内连续访问数据，这可以显著提高整体性能。外存储器如磁带和磁盘具有较大的容量，但访问时间较长，而内存储器如主存储器和Cache则提供更快的访问速度。 三、存储器访问的局部性原理 局部性原理分为时间上的局部性和空间上的局部性。时间上的局部性表明，由于程序中的循环结构，当前使用的数据在未来的短时间内可能还会被再次使用。空间上的局部性则是由于程序的顺序执行和数据的聚集存储，使得相邻的存储单元可能会被连续访问。存储器的层次结构正是利用这种原理，通过高速缓存（Cache）来缓存近期频繁访问的数据，以减少对慢速主存储器的访问次数。 存储器层次结构的性能关键指标是命中率，即数据在期望的存储级别（如Cache）被找到的概率。平均访问时间（TA）取决于各级存储器的访问时间和命中率。例如，对于两级存储系统，平均访问时间为命中率乘以第一级存储器的访问时间加上非命中率乘以第二级存储器的访问时间。访问效率（Access Efficiency）是衡量存储系统性能的另一个指标，与访问时间比率（Access Time Ratio）和命中率有关。 微型计算机的存储器系统设计需要平衡容量、速度和成本，通过有效的层次结构和利用局部性原理来优化数据访问，提高系统性能。理解这些概念对于理解和设计高效的计算机系统至关重要。