层次结构存储系统详解：CPU访存流程与关键技术

第六章层次结构存储系统深入探讨了现代计算机内存体系结构的关键组成部分，旨在帮助读者理解存储器如何与中央处理器(CPU)协作以优化程序性能。本章内容包括以下几个核心知识点： 1. 存储器概述： - 存储器是计算机硬件的重要部分，它负责长期和临时保存数据。理解CPU执行指令时为何需要频繁访问存储器是学习本章的基础。 2. 主存与CPU的连接及读写操作： - 主存储器，通常称为内存，是CPU直接访问的快速设备。讲解了主存模块的连接方式，如总线接口和数据传输机制，以及“装入”和“存储”指令的具体操作过程。 3. 磁盘存储器： - 磁盘存储虽然速度较慢，但容量大，用于长期数据存储。理解磁盘访问的特点和优化方法，比如寻道时间等，对于整体系统性能有影响。 4. 高速缓冲存储器（Cache）： - Cache是位于CPU和主存之间的高速缓存，通过提升数据访问速度。本节重点讲解程序访问的局部性，即重复访问的特性，以及cache的工作原理，如替换策略和映射方式。 5. 虚拟存储器： - 虚拟存储器允许程序使用的地址空间超过实际物理内存，通过页面调度和交换技术提供更大的地址空间。讲解虚拟地址空间的概念以及虚拟存储器的实现原理。 6. IA-32/Linux中的地址转换： - 地址转换是操作系统和硬件之间的关键交互，涉及逻辑地址到线性地址再到物理地址的映射。理解这个过程有助于开发者编写更高效的应用程序。 7. 访存过程中的协调关系： - 程序执行过程中，从指令的取指、读取操作数，到将结果存回存储器，每个步骤都需要CPU、Cache、主存和磁盘之间的协作。同时，操作系统参与地址转换和内存管理，确保数据的正确访问。 通过学习这些内容，学生不仅能掌握层次结构存储系统的运作机制，还能学会如何设计和优化程序以利用这种结构提高性能。此外，理解虚拟存储器和地址转换对于编写可移植和高效的软件至关重要。本章的教学目标不仅限于理论知识，还强调实践技能的培养，如编写具有良好局部性的程序。