计算机组成原理：虚拟存储器与多层次存储体系

"虚拟存储器-西华大学2018计算机组成原理期末复习PPT" 在计算机科学中，虚拟存储器是一种重要的内存管理技术，它允许程序使用比实际物理内存更大的地址空间。这一技术主要解决了计算机系统中速度与容量之间的矛盾。虚拟存储器通过将主存储器（内存）和辅助存储器（通常是硬盘）结合使用，为程序员提供了一个连续的、逻辑上的地址空间，而无需关心实际物理内存的大小。 虚拟地址是程序在执行时使用的地址，这些地址可能超出实际内存的范围。逻辑地址则与虚拟地址相似，是程序在编译或链接时分配的地址，它们并不直接对应物理内存的位置。实地址，或物理地址，是指内存芯片上实际存储单元的地址，这是处理器在执行指令时直接访问的地址。 在计算机组成原理中，虚拟存储器的实现通常包括以下几个层次： 1. 缓存（Cache）：位于CPU和主存储器之间，用于暂时存储最近频繁访问的数据，以提高数据访问速度。缓存分为多级，例如L1、L2和L3，每一级的速度和容量不同，越靠近CPU的缓存速度越快但容量越小。 2. 主存储器（Main Memory）：作为中间层，存储当前运行程序的部分代码和数据。主存相对于缓存较慢，但比辅助存储器快得多。 3. 辅助存储器（Secondary Memory）：如硬盘，通常用于长期存储大量数据和程序，速度较慢但容量极大。 这三层存储层次形成了一个层次结构，称为存储层次体系。缓存的快速访问可以弥补主存速度较慢的问题，而主存则作为缓存和辅助存储器之间的缓冲，使得程序能够在不等待全部数据加载到内存的情况下运行。 冯·诺依曼计算机模型中，存储程序的概念是核心。程序和数据都以二进制形式存储在存储器中，并通过地址进行访问。程序计数器（PC）保存了下一条要执行指令的地址，指令寄存器（IR）则存放当前正在执行的指令。指令通常由操作码和地址码组成，由控制器（CU）负责取出指令、分析指令并执行指令。 计算机硬件的技术指标，如机器字长、运算速度（通常用MIPS或FLOPS来衡量）、存储容量（包括主存容量和辅存容量），都是衡量计算机性能的重要参数。例如，MIPS（Millions of Instructions Per Second）表示每秒执行的百万条指令数，FLOPS（Floating Point Operations Per Second）则代表每秒执行的浮点运算次数。 随着硬件技术的发展，从早期的晶体管到后来的中小规模集成电路、大规模集成电路，直到现在的超大规模集成电路，计算机的性能和集成度不断提升，使得虚拟存储器这样的复杂内存管理技术得以实现并广泛应用于现代计算机系统中。