存储器层次结构解析:主存、高速缓存与虚拟存储
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更新于2024-08-20
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"该资源是南航计算机组成原理课程的一部分,重点讲解了主存中的页表示例,包括未分配页、已分配的缓存页和已分配的未缓存页的概念,并介绍了虚拟地址与物理地址的关系,以及存储器层次结构的相关知识。内容涵盖了存储器概述、主存与CPU的连接、高速缓冲存储器(cache)和虚拟存储器的原理与应用。"
在计算机系统中,主存是重要的组成部分,它通过页表机制来管理进程的虚拟地址空间。在这个例子中,"主存中的页表示例"阐述了三种类型的页:
1. **未分配页**:这些页在进程的虚拟地址空间中存在,但实际并未被分配任何物理内存,也就是说,它们是虚拟地址空间中的“空洞”,如VP0、VP4。
2. **已分配的缓存页**:这些页已经被分配并且其内容已经加载到主存中,可以被CPU直接访问,如VP1、VP2、VP5。
3. **已分配的未缓存页**:虽然这些页在虚拟地址空间中被分配,但它们的内容尚未被加载到主存,因此无法直接访问,如VP3、VP6。
在地址转换过程中,虚拟地址(VA)需要通过页表转换为物理地址(PA)。每个虚拟页面都有一个有效位(V),当有效位为1时,表示该页在内存中;为0则表示不在内存中。此外,地址还包括页内偏移量(Disp),即在页内的相对位置。
存储器层次结构是一个关键概念,它包括了从高速缓存(cache)到主存再到辅助存储器的多层次结构,以解决速度和容量之间的矛盾。高速缓存利用程序访问的局部性原理,将最近经常使用的数据保存在靠近CPU的地方,以提高访问速度。而虚拟存储器则提供了更大的地址空间,允许进程使用超过物理内存大小的地址,通过页替换算法实现部分加载到主存中的功能。
在主存与CPU的连接部分,讲解了"装入"和"存储"指令的操作过程,涉及到了存储器地址寄存器(MAR)和存储器数据寄存器(MDR)的作用,它们分别用来存放主存单元的地址和数据。
存储器的分类主要有以下几种:
- **随机存取存储器(RAM)**:数据可随机访问,读写时间与位置无关,如常见的内存条。
- **顺序存取存储器(SAM)**:数据按顺序读写,如磁带。
- **直接存取存储器(DAM)**:如磁盘,可以直接定位到数据块,但在数据块内部仍按顺序访问。
- **相联存储器(AM)**:比如快表,通过内容来查找存储位置。
此外,根据存储介质的不同,还有半导体存储器,如双极型存储器,它利用半导体材料来存储信息,具有速度快但功耗高的特点。
总结来说,这个课件深入浅出地介绍了主存管理、存储器层次结构和地址转换等相关概念,对于理解计算机系统的工作原理至关重要,特别适合准备南航考研的学生学习。
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