存储器层次结构：从早期分页到现代虚拟存储

"早期分页方式的概念-南航计算机组成原理课件7" 早期分页方式是一种存储管理技术，起源于1961年英国曼切斯特的研究，旨在简化程序员的工作，让他们无需考虑主存的实际容量。该方法的核心是将地址空间与实际的主存容量区分开来。程序员在地址空间内编写程序，而执行时则由系统自动处理地址映射，确保程序能在较小的实际内存中运行。 早期的计算机系统中，比如描述中的例子，指令地址为16位，这意味着地址空间有2^16个地址，即65536个位置。然而，主存容量仅为4K字，远小于地址空间的大小。在这种情况下，早期的程序员需要手动分解程序，并通过覆盖主存的方式来执行程序，这是一项复杂且容易出错的任务。 分页机制解决了这个问题，它引入了页的概念，将大的地址空间划分为固定大小的页，同时将物理内存划分为同样大小的页框。每个逻辑地址由页号和页内偏移量两部分组成。页号对应于页在内存中的位置，页内偏移量则指明在页内的具体位置。通过页表，操作系统可以动态地管理和映射这些页到页框，使得程序可以在不连续的物理内存中执行，而程序员只需关注逻辑地址。 存储器层次结构是现代计算机系统中提高存储效率的关键。它包括了从高速缓存（Cache）到主存，再到辅助存储器的多级结构。高速缓存利用程序访问的局部性原则，将最近频繁访问的数据存储在靠近CPU的高速区域，从而减少访问主存的时间。主存与CPU的连接涉及到“装入”指令和“存储”指令的操作，这两个操作都涉及到存储器地址寄存器（MAR）和存储器数据寄存器（MDR）的交互。主存的读写操作依赖于地址的编址方式，可以是字节编址或按字编址。 存储器还按照工作性质、存取方式和存储介质进行分类。随机存取存储器（RAM）如内存，允许随机访问任何位置的数据；顺序存取存储器如磁带，数据按顺序读写；直接存取存储器如磁盘，能直接定位到数据块；相联存储器如快表，根据内容查找存储位置。 半导体存储器是其中一类重要的存储介质，包括双极型等类型，它们在速度、功耗和成本等方面各有优缺点，根据应用场景的不同，选择合适的存储器类型至关重要。这样的存储器层次结构和管理机制，共同构成了现代计算机系统高效运行的基础。