本资源主要讨论了计算机系统基础中的层次结构存储系统,特别是针对第六章内容,即存储器的不同组成部分及其工作原理。首先,存储器概述部分介绍了CPU与内存之间的交互,以及指令执行过程中为何需要访存。访问操作涉及的组件包括高速缓存(Cache)、主存(主存储器)和磁盘存储器,它们构成了层次化的存储体系。
1. **TLB(Translation Lookaside Buffer)和页表的作用**:TLB用于快速查找页表项,当TLB命中时,通常会直接获取到页面信息;如果TLB缺失但页表命中,信息可能在主存或Cache中;如果TLB和页表同时缺失,信息既不在主存也不在Cache,这将导致访存次数增加。
2. **访问效率分析**:
- 最佳情况是TLB命中、页表命中且Cache命中(hit、hit、hit),这意味着无需访问主存,显著提高了数据访问速度。
- 当只有Cache和主存命中,如hit、hit、miss或miss、hit、hit,需要访问主存一次,比最差情况稍好。
- 中等情况是miss、hit、miss,虽然没有完全命中,但不需要访问磁盘,但至少需要两次Cache和主存访问。
- 最坏情况是miss、miss、miss,这时不仅Cache和主存未命中,还需要访问磁盘,性能最低。
3. **Cache机制**:Cache的设计利用了程序的局部性原理,即频繁访问的数据倾向于集中在较小的连续区域。Cache通过快速存取最近使用的数据,减少了对主存的依赖,显著提升了程序执行效率。
4. **虚拟存储器**:虚拟存储器实现了地址空间的抽象,使得程序可以运行在比实际物理内存更大的地址空间中。它涉及虚拟地址到线性地址的转换,以及线性地址到物理地址的映射,这对于大型程序的执行至关重要。
5. **访存过程与硬件和操作系统的协调**:在指令执行过程中,CPU需要通过地址转换机制(如TLB和页表查询)找到数据的位置,然后根据数据在Cache、主存或磁盘的可用性进行相应的读写操作。操作系统在此过程中起到调度和管理作用。
本资源深入剖析了层次结构存储系统的工作原理,特别是关注了访存操作中的关键因素和不同情况下的性能优化,对于理解和设计高效的计算机系统具有重要意义。