理解Cache存储器：工作原理与存储系统

"本课件主要介绍了计算机组成原理中的Cache工作原理，包括Cache以块为单位的操作、命中与未命中的处理方式，以及不同类型的存储器分类和分级结构。此外，还涉及存储器的基本功能、技术指标，如存储容量、存取时间和带宽等。" 在计算机组成原理中，Cache是提升系统性能的关键组成部分。其工作原理主要包括以下几个方面： 1. **Cache以块为单位进行操作**：这意味着当CPU需要访问内存中的数据时，它会请求一个包含多个字的块，而不是单个字。这是因为局部性原理指出，程序倾向于连续访问相近的内存位置。 2. **命中与未命中**：CPU发出访内操作后，Cache控制器首先检查请求的数据是否在Cache中。如果在，即为命中，此时数据可以直接从Cache读取，无需访问主存。对于读操作，命中意味着数据直接从Cache返回CPU；对于写操作，有两种策略：Write through（直写）和Copy back（写回）。直写会同时更新Cache和主存，而写回则仅更新Cache，并在数据移出时才修改主存。 3. **未命中处理**：当请求的数据不在Cache中时，会发生未命中。对于读请求，需要从主存中读取数据并送至CPU，同时将包含该字的整个块加载到Cache中。如果Cache已满，会根据预设的置换算法（如LRU或FIFO）替换掉某个旧块。写请求未命中时，数据直接写入主存。 存储系统还包括其他层次，如寄存器、主存储器、辅助存储器等，形成存储器的分级结构。寄存器是最快的存储单元，位于CPU内部；Cache作为主存和CPU之间的缓冲，提高数据访问速度；主存储器（RAM）用于存储当前运行的程序和数据；辅助存储器（如硬盘）则提供大容量但较慢的存储。 存储器的技术指标包括存储容量（通常以字节为单位，注意厂商可能使用不同的基数表达容量）、存取时间（数据传输完成所需的时间）、存取周期（两次连续访问的最小间隔）和存储器带宽（单位时间内能传输的数据量）。这些指标直接影响着系统的性能表现。 了解Cache的工作原理以及存储器的分类和技术指标，有助于优化系统设计，提升计算机的整体运行效率。