计算机系统基础：层次结构存储系统与访存操作

层次结构存储系统 层次结构存储系统是计算机系统基础的重要组成部分，它是指计算机系统中存储器的组织结构和管理方式。该系统的主要目标是理解CPU执行指令过程中为何要访存，理解访存操作的大致过程及涉及到的部件，了解层次化存储器系统的由来及构成，了解CPU与主存储器之间的连接及读写操作，掌握Cache机制并理解其对程序性能的影响，理解程序局部性的重要性并能开发局部性好的程序，了解虚拟存储管理的基本概念和实现原理，理解访存操作完整过程以及所涉及到的部件之间的关联。 该系统的主要组成部分包括主存、磁盘存储器、高速缓冲存储器（Cache）和虚拟存储器。主存是计算机系统中最重要的存储器之一，它是CPU直接访问的存储器。磁盘存储器是计算机系统中最大的存储器，它用于存储大量的数据和程序。高速缓冲存储器（Cache）是介于主存和CPU之间的高速存储器，它可以大大提高CPU的执行速度。虚拟存储器是计算机系统中的一种存储管理机制，它可以将主存和磁盘存储器结合起来，提供给用户一个大的地址空间。 在层次结构存储系统中，CPU与主存储器之间的连接是通过总线进行的，总线是一种数据传输通道，CPU可以通过总线读取和写入主存储器中的数据。高速缓冲存储器（Cache）是介于主存和CPU之间的高速存储器，它可以大大提高CPU的执行速度。虚拟存储器是计算机系统中的一种存储管理机制，它可以将主存和磁盘存储器结合起来，提供给用户一个大的地址空间。 在访存操作中，CPU需要从主存中取出指令和数据，然后送到寄存器中执行。访存操作的过程包括取指、取数、存数三个步骤。在取指步骤中，CPU需要从主存中取出指令，然后送到寄存器中执行。在取数步骤中，CPU需要从主存中取出数据，然后送到寄存器中执行。在存数步骤中，CPU需要将寄存器中的数据写回到主存中。 在虚拟存储管理中，操作系统需要将虚拟地址空间映射到物理地址空间中。虚拟地址空间是用户程序看到的地址空间，物理地址空间是计算机系统中的实际地址空间。操作系统需要将虚拟地址空间映射到物理地址空间中，以便用户程序可以正确地访问存储器。 Cache机制是计算机系统中的一种高速存储机制，它可以大大提高CPU的执行速度。 Cache机制的基本工作原理是将主存中的数据复制到Cache中，然后CPU可以从Cache中快速地读取数据。 Cache机制可以大大提高CPU的执行速度，因为CPU可以快速地读取数据，而不需要等待主存中的数据。 程序局部性是计算机系统中的一种性能优化技术，它可以大大提高CPU的执行速度。程序局部性是指程序中的一些指令或数据可以被反复使用，以便提高CPU的执行速度。 Cache机制可以很好地支持程序局部性，因为 Cache可以将主存中的数据复制到Cache中， CPU可以快速地读取数据。 层次结构存储系统是计算机系统基础的重要组成部分，它包括主存、磁盘存储器、高速缓冲存储器（Cache）和虚拟存储器。该系统的主要目标是理解CPU执行指令过程中为何要访存，理解访存操作的大致过程及涉及到的部件，掌握Cache机制并理解其对程序性能的影响，理解程序局部性的重要性并能开发局部性好的程序，了解虚拟存储管理的基本概念和实现原理。