计算机组成原理：Cache命中率与存储系统分析

本课件主要讲解了计算机组成原理中的Cache命中率及相关存储系统知识。 在计算机系统中，Cache的命中率（Hit Rate）是衡量Cache性能的重要指标，它表示高速缓存成功找到所需数据的概率。Cache的命中率计算公式为：h = Nc / (Nc + Nm)，其中Nc是Cache完成存取的总次数，Nm是主存完成存取的总次数。这个比例越高，意味着Cache能更有效地减少对速度较慢的主存的访问，从而提高系统性能。平均访问时间ta由命中时的Cache访问时间tc和未命中时的主存访问时间tm决定，即ta = htc + (1 - h)tm。 存储系统是计算机的重要组成部分，它包括多种类型的存储器，如随机读写存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和闪存等。存储器的基本功能是存储和读取数据，并追求大容量、高速度和低成本。存储器按照不同的标准可以分为不同的类别，例如按存储介质分为半导体存储器和磁表面存储器；按存取方式分为随机存储器（RAM）和顺序存储器；按读写功能分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）；按信息可保存性分为非永久记忆（如RAM）和永久记忆（如ROM）；按在计算机系统中的作用分为主存、辅存、高速缓存和控制存储器。 存储器的分级结构是计算机性能优化的关键，包括寄存器、Cache、主存储器和辅助存储器。寄存器是微处理器内部最快的存储单元，Cache作为一级缓存，用于提升主存储器的访问速度，主存储器则存储当前运行的程序和数据，通常使用半导体存储器构建。辅助存储器，如磁盘和光盘，作为二级缓存，用于长期存储大量数据，其访问速度相对较慢，但容量大、成本低。 主存储器的技术指标主要包括存储容量、存取时间和存取周期。存储容量通常以字节（B）为单位，存取时间是指从发出读/写指令到数据传输完成所需的时间，而存取周期则是连续两次访问之间的最小时间间隔。此外，存储器带宽表示单位时间内存储器能够处理的数据量，对于提高系统性能至关重要。 虚拟存储器的概念也在此课件中提及，它通过将主存与辅助存储器结合，使得程序可以超过实际物理内存的限制，从而实现更大的地址空间。 本课件详细阐述了计算机存储系统的基础知识，特别是Cache的命中率及其对系统性能的影响，以及存储器的各种分类和关键性能指标。理解这些概念对于深入学习计算机组成原理和优化系统性能具有重要意义。