层次存储系统详解：内存CPU交互、磁盘与缓存机制

"该资源为计算机系统基础第六章的PPT，主要讲解了内存与外存的关系及比较，包括它们的特点、作用以及在计算机系统中的地位。同时，还涵盖了层次结构存储系统，包括存储器概述、主存与CPU的连接、磁盘存储、高速缓冲存储器(Cache)、虚拟存储器和IA-32/Linux中的地址转换等内容。" 在计算机系统中，内存和外存扮演着至关重要的角色。内存，又称为主存，因其与CPU直接相连，具有快速存取数据的能力，但成本较高且容量有限。内存主要用于存储当前运行的程序和数据，然而，由于其易失性，一旦电源断开，其中的信息将丢失。CPU通过从内存中逐条读取指令并执行，进行数据的运算和处理。 相比之下，外存，又称辅助存储器，具有更大的存储容量和更低的成本，但存取速度较慢。外存通常包含硬盘、固态驱动器等，它们不直接与CPU交互，而是通过输入/输出系统将数据传输至内存，然后由CPU处理。外存的数据是非易失性的，即使电源关闭，数据也能得以保存，常用于长期存储系统中的程序和大量数据。 层次结构存储系统是为了平衡速度与容量的矛盾而设计的。它包括多级存储，从高速的Cache到主存，再到慢速但大容量的外存。Cache利用程序局部性原理，即程序倾向于重复访问最近使用的数据或代码，来提高性能。当CPU需要数据时，会首先查找Cache，如果找到则快速处理；未找到则会访问主存，最后是外存。地址转换机制，如在IA-32/Linux系统中，涉及了逻辑地址到线性地址，再到物理地址的转换，确保了程序能在虚拟地址空间中正常运行。 虚拟存储器是另一种优化存储管理的技术，它允许程序使用超过实际物理内存大小的地址空间，通过页面交换策略在主存和外存之间动态调度数据。当CPU试图访问的页面不在主存时，会发生页面故障，操作系统会负责将所需页面从外存加载到主存，同时可能将其他不常用页面换出到外存。 内存与外存的比较和层次结构存储系统的理解是计算机系统基础的重要组成部分。通过学习这一章节，可以深入理解CPU如何高效地执行指令，以及存储系统如何协同工作以支持程序的运行。