存储层次结构：缓存与虚拟内存的原理与设计

本章节主要探讨了计算机系统的存储层次结构，特别是不一致的两种情况——时间局部性和空间局部性在设计存储器层次中的应用。存储器层次结构技术的核心在于通过硬件和软件的结合，构建一个统一的、能够自动调度不同存储器之间信息的体系。这种体系的设计基于访存局部性原理，即大部分程序访问行为具有局部性，倾向于集中在较小的数据集中。 首先，存储器层次结构包括主存与辅存，以及后来发展的Cache—主存层次。早期的存储器设计中，主存与辅存地址独立，信息交换依赖运算器，且调入调出操作由用户自行管理，对用户不透明。主存—辅存层次的主要目标是解决存储容量问题，通过软件和硬件的协作来实现，操作系统负责信息调度，通常以页或段为信息传送单位。当主存中找不到所需数据时，可能会导致失效，此时需要程序切换来处理，这对应用程序员来说是透明的，但对系统程序员则部分可见。 引入Cache后，解决了存储器速度瓶颈问题。Cache是一种高速缓存，位于主存和CPU之间，用于存储频繁访问的数据，通过减少数据的访问延迟，显著提升系统性能。Cache—主存层次结构的关键在于快速响应CPU的请求，从而实现在速度上接近主存的效果，同时保持成本和容量接近于较低速的主存。 虚拟存储器是主存—辅存层次结构的一种扩展形式，它通过软件模拟，使编程人员感觉有更大的可用内存空间。通过虚拟地址映射，即使物理内存不足，也能从辅存中获取数据，提供了一种抽象的、无限大的存储空间。这极大地提高了内存的利用率和程序的并发执行能力。 总结来说，存储层次结构的设计旨在利用局部性原理，通过优化访问路径和缓存策略，提高数据访问效率，同时兼顾存储容量和成本，为用户提供高效、灵活的内存管理环境。理解这些概念和技术对于深入学习计算机系统架构和优化算法至关重要。