计算机存储系统：主存储器与Cache原理

本文将深入探讨计算机的存储系统，特别是主存储器的组成和相关知识点。在计算机硬件架构中，存储器扮演着至关重要的角色，它分为多种类型，如SRAM和DRAM，以及只读存储器ROM。理解存储器的层次化结构是关键，包括Cache-主存-外存的层次，这有助于提升系统性能。 首先，主存储器主要由存储体、读写电路、地址译码和控制电路等部分组成。SRAM（静态随机存取存储器）以其快速访问和较高的功耗而被用于缓存，但其成本相对较高。DRAM（动态随机存取存储器）则更为常见，用于主存储，因为它成本低、容量大，但需要定期刷新以保持数据。了解这两种存储器的工作原理和特性，以及它们之间的对比，对于设计高效的存储系统至关重要。 其次，只读存储器（ROM）有多种形式，如PROM、EPROM和EEPROM，它们在启动和固定数据存储方面发挥作用。尽管现代系统中固件通常存储在闪存中，但理解这些早期的ROM类型仍有价值。 主存与CPU的连接涉及到系统总线，包括地址总线、数据总线和控制总线。为了扩展主存，需要理解和掌握地址译码和片选信号的原理。双口RAM和多模块存储器则是提高存储器访问速度和并行处理能力的技术，尤其在高并发环境下。 Cache是存储层次结构中的关键组件，基于程序访问的局部性原理工作，即程序倾向于在短时间内重复访问同一组数据。了解Cache的基本工作原理，包括直接映射、全相联映射和组相联映射，以及替换算法（如LRU、FIFO等），对于优化系统性能至关重要。Cache的写策略，如写直达和回写，也有其独特目的和权衡。 虚拟存储器是现代操作系统中的重要特性，它通过页面或段的概念，提供比实际物理内存更大的逻辑地址空间。虚拟存储器的实现方式包括页式、段式和段页式，以及TLB（快表）的作用，用于加速虚拟地址到物理地址的转换。理解虚拟存储器的相关计算，如平均访问时间，对于评估系统性能至关重要。 复习目标涵盖了解存储器种类、工作原理和技术指标，理解存储层次结构和Cache的工作机制，掌握半导体存储器的外特性和设计，以及虚拟存储器的实现和优化。此外，还需要了解提高存储器速度的策略，如高位交叉和低位交叉多模块存储器，以及Cache的替换策略和计算。