存储子系统详解：主存、Cache与辅存的层次结构

"本章内容涉及计算机组成原理中的存储子系统，主要讲解了存储器的层次结构，包括主存、辅存和高速缓存的作用与特点。此外，还介绍了存储器控制信号，如M/IO命令、MREQ、MEMW、MEMR、MEMEX、READY和XACK等在存储器组织和访问中的作用。" 在计算机系统中，存储子系统的性能对于整体运算速度至关重要。存储器被组织成多级层次结构，以平衡速度、容量和成本。二级存储器系统由主存和辅存构成，解决主存容量不足的问题；而Cache-主存-辅存的三级结构则兼顾速度和容量，使得CPU既能快速访问数据，又能存储大量信息。 主存，也称为内存，是CPU可以直接访问的存储区域，具有较高的访问速度，但容量有限。现代主存主要由动态随机存取存储器（DRAM）如SDRAM和DDRAM，以及少量只读存储器（ROM）如MROM、PROM、EPROM、E2PROM和闪存（FLASHMEMORY）组成。主存的速度通常在纳秒级别，容量则从几KB到几百MB或更多。 辅存，又称外存，主要用于长期保存大量非即时使用的程序和数据。虽然速度慢于主存，达到毫秒甚至秒级，但其容量巨大，价格低廉。常见的辅存设备包括磁盘、磁带、光盘和U盘。辅存的信息以块为单位，需要先加载到主存才能被CPU访问。 高速缓存，或称为Cache，是存储层次结构中最靠近CPU的部分。它的速度远超主存，容量较小且价格较高。高速缓存用于临时存储CPU短期内频繁访问的数据，通过硬件自动管理，无需CPU直接编程。Cache的内容是主存中活跃数据的副本，减少了CPU等待数据的时间。 控制信号在存储器的组织和访问中起到关键作用。例如，M/IO命令用于选择主存或外设，MREQ低电平时允许选择存储器芯片，高电平时阻止选择。其他信号如MEMW表示写入主存，MEMR表示读取主存，MEMEX用于访问扩展存储，READY指示主存是否准备好接收或发送数据，而XACK则是传输响应信号。 总结来说，本章深入探讨了存储子系统的设计和运作机制，包括存储层次、各种存储器类型及其特性，以及控制这些存储器交互的关键信号。这些知识对于理解计算机的内部工作原理至关重要。