计算机系统结构：存储层次详解与关键问题

第五章《计算机系统结构：存储层次》深入探讨了存储器层次结构的关键概念和技术。本章节首先介绍了存储层次结构的重要性，它涉及到平均每位价格（反映成本）、命中率（衡量访问效率）和平均访存时间（体现速度）等性能参数。理解这些参数有助于设计高效的存储系统。 在存储层次结构的设计中，面临的主要问题是速度与成本、容量与速度之间的权衡。为解决这一矛盾，通常采用多级存储器系统，如Cache-主存和主存-辅存层次，通过不同层次的配合提供快速访问和较大容量。其中，"Cache-主存"层次侧重于提高数据访问速度，而"主存-辅存"层次则提供长期存储能力。 存储层次的四个关键问题包括：映像规则（确定块在更高层次的放置位置）、查找算法（定位请求数据在高层存储中的具体位置）、替换算法（处理缓存失效时的选择策略）以及写策略（决定数据更新时对Cache和主存的操作）。全相联映像提供高空间利用率但查找慢，直接映像简单高效但空间利用率低，组相联映像是两者间的折中方案。 关于Cache的3C失效，指的是强制失效（当Cache块不再有效）、容量失效（当缓存已满，新的块无法放入）和冲突失效（两个或多个块要求在同一位置）。通过合理设计缓存替换策略，如使用Victim Cache、伪相联映像Cache，以及优化写策略（如写直达法和写回法），可以降低这些失效的发生。 写直达法确保数据在写操作后同时写入Cache和主存，而写回法则仅写入Cache，然后在写回阶段同步到主存。这涉及到DirtyFlag的状态管理，如果DirtyFlag为1，表示Cache块已被修改，必须先写回再替换，否则可能丢失未保存的数据。 此外，章节还涉及到了内存组织形式，如单字宽和多字宽存储器，以及多体交叉存储器，这些技术都影响着存储系统的性能。虚拟存储器，如页式和段式管理，以及快表（Translation Lookaside Buffer，TLB）在提高地址转换速度方面起着重要作用。 本章内容涵盖了存储层次结构设计的关键技术和解决方案，包括性能优化、地址映像方法、失效管理和写策略，对于理解和设计高效计算机系统至关重要。