优化存储层次结构：CPU缓存与主存的性能提升策略

在计算机组成原理中，"使CPU大部分时间访问高速缓存-存储器新2.PPT"这一内容着重讨论了现代计算机存储体系中的层次化设计，以优化系统的性能、容量和成本。首先，CPU和DRAM（动态随机存取内存）的性能对比展示了两者在发展速度上的差距：CPU性能每年增长60%，而DRAM性能提升更快，每年增长9%。这种性能差异推动了对存储系统架构的改进，即著名的摩尔定律，即集成度每18个月翻一番，导致存储器性能持续提升。 层次存储器系统是解决这一问题的关键策略。它包括高速缓存（CACHE）、主存储器（通常由DRAM构成）、虚拟存储器和可能的其他辅助存储如相联存储器或存储保护机制。层次结构的主要目标是利用存储器的不同层次来满足不同的需求： 1. 层次结构概述：层次存储器系统追求的是快速的读写速度、大容量和低成本。通过将程序和数据按照使用频率和紧迫性分级，分配到不同级别的存储器，如高速缓存（高速但容量有限）、主存储器（容量大但速度较慢）和外部存储（容量极大，速度最慢）。 2. 高速缓存（CACHE）：作为系统中最靠近CPU的快速存储，高速缓存主要存放频繁访问的数据，通过减少对主存的访问次数，显著提升系统性能。 3. 主存储器（DRAM）：作为中间层次，DRAM提供较大的容量，适合存放不太频繁但需要长期保留的数据。 4. 虚拟存储器：通过模拟扩充主存空间，使得程序可以在内存不足时仍然能够运行，提高了可用性。 5. 多体结构：通过设计多个独立的存储体，可以实现并行读写，进一步提升存储器的吞吐量。 6. 统一管理和调度：硬件和软件共同协作，根据程序的运行特性动态调整数据在不同存储器间的分布，以实现最佳性能。 通过这样的设计，层次存储器系统能够在速度、容量和成本之间找到平衡，确保计算机系统高效且经济地运行。随着技术的发展，选择合适的存储介质组合，如SRAM（静态随机存取内存）和DRAM，对于实现最优性能至关重要。理解并有效利用多层次的存储器系统是现代计算机硬件设计的核心要素之一。