优化存储层次：主存-磁盘与Cache-主存比较

"南航计算机组成原理课件7深入探讨了主存与磁盘之间的层次结构，这个层次结构与常见的Cache--主存层次相比，有着独特的设计原则和目标。首先，主存（通常为页大小，从2KB到64KB）相对于Cache中的块要大得多，这是为了利用程序的局部性（即数据访问的重复性），以提高页命中率。由于磁盘访问的时间远比主存长，约为几百万个时钟周期，而Cache缺失时只需几十到几百个时钟周期，因此优化页大小和采用全相联映射策略能显著减少缺页带来的性能损失。 其次，软件处理缺页是必要的，因为硬件无法快速响应如此长时间的磁盘访问，这会严重影响系统性能。软件层面的处理可以协调内存管理和磁盘I/O，确保数据的连续性和完整性。 写回（Write Back）策略被选用，是因为频繁地写回磁盘会导致大量的磁盘I/O，进一步降低效率。采用这种策略，只有当数据真正不再被使用时才写回，减少了不必要的磁盘操作。 地址转换在硬件上实现，是为了加速指令执行。通过硬件支持，可以实现实时的地址映射，减少CPU等待时间和内存延迟，提高系统整体性能。 存储器分类方面，主存被划分为随机存取存储器（RAM），如DRAM，其特点是读写时间与地址无关，但现代技术如行缓冲可能影响这一点。顺序存取存储器（SAM）和直接存取存储器（DAM）分别适用于磁带和磁盘，它们的存取速度取决于数据的位置。此外，还有相联存储器（AM）和内容寻址存储器（CAM），如快表，这些在某些特定场景下提供了高效的数据检索能力。 整个存储器层次结构的设计旨在通过合理的组织和管理，充分利用硬件和软件的优势，平衡性能和成本，以满足现代计算机系统的复杂需求。理解这些概念对于理解计算机架构和优化程序性能至关重要，尤其是在考研等高级学习阶段。"