存储系统层次结构与局部性原理

"该资源是东南大学计算机学院的‘计算机组织与结构’课程的第三章内容，由徐造林主讲，主要涵盖了存储系统的层次结构、半导体存储器、主存、高速缓存和虚拟存储器等多个核心知识点。" 在计算机科学中，存储系统是计算机硬件的重要组成部分，它对程序的执行效率和数据的存储起着关键作用。本章首先介绍了存储器的分类，根据存储介质，可以分为半导体器件（如SRAM和DRAM）、磁性材料（如硬盘）和光介质（如CD-ROM）。按照存取方式，存储器可分为随机存取（RAM）和顺序存取（如磁带）。而按照应用功能，有主存储器、辅助存储器和高速缓存等。 存储器的技术指标主要包括存储容量、存取速度和传输速度。存储容量通常以字节（B）为单位，存取速度则通过存取时间和存取周期来衡量，而传输速度通常用带宽表示，即每秒能传输的数据量。 接着，层次结构存储系统被引入，这是解决速度、容量和价格之间矛盾的关键。层次结构基于程序访问的局部性原则，即时间局部性和空间局部性。时间局部性意味着最近使用的数据很可能在未来再次被使用，而空间局部性是指数据的邻近部分也可能会被频繁访问。因此，层次结构通常包括高速缓存（Cache）、主存和辅助存储器（如硬盘），形成Cache-主存-辅存的结构，以满足快速、大容量和低成本的需求。 半导体存储器中，SRAM和DRAM是两种常见的类型。SRAM具有较快的访问速度但成本高，适合做高速缓存；DRAM则容量大但速度较慢，通常作为主存使用。DRAM还需要定期刷新以保持数据完整性。而ROM是只读存储器，用于存储固定的系统信息或程序。 主存是计算机中的核心存储部件，其基本组成包括存储单元、地址译码器、数据输入/输出电路等。主存的设计需考虑逻辑设计和与CPU的连接，以及如何通过提高访存速度的技术来优化性能。 高速缓存（Cache）是提升系统性能的关键，其工作原理基于局部性原理，通过地址映射将常用数据保存在高速缓存中。地址映射策略决定了如何将主存地址映射到Cache，常见的有直接映射、组关联映射和全关联映射。替换算法则决定当Cache满时如何选择数据移出，例如LRU（最近最少使用）和LFU（最不经常使用）等。而写策略如Write-through和Write-back则处理数据更新时的处理方式。 虚拟存储器（Virtual Memory, VM）是另一个重要的概念，它通过将物理内存和磁盘空间组合成一个更大的逻辑内存空间，使得程序可以运行在比实际物理内存更大的地址空间上。VM的存储管理方式包括分页和分段，而其实现涉及到页表、页替换算法和地址转换机制。 这一章深入讲解了存储系统的核心概念和技术，对于理解计算机系统的工作原理和优化性能具有重要意义。