存储系统深度解析：从Cache到虚拟存储器

"《计算机组成原理》第四章存储器概览" 在计算机系统中，存储器扮演着至关重要的角色，它是数据和指令的临时存放场所。本资源主要涵盖了存储器的多个方面，包括分类、层次化结构、半导体存储器的工作原理、只读存储器类型，以及主存与CPU的连接等核心知识点。 一、存储器的分类： 存储器分为多种类型，如临时存储的RAM（随机存取存储器）和长期存储的ROM（只读存储器）。RAM又细分为SRAM（静态随机存取存储器）和DRAM（动态随机存取存储器），其中SRAM速度快但成本高，而DRAM则相对便宜但需要定期刷新以保持数据。 二、存储器的层次化结构： 计算机采用Cache-主存-外存的层次化设计，旨在平衡性能和成本。Cache用于缓存频繁访问的数据，减少CPU等待时间；主存是系统的主要内存，比Cache容量大但速度慢；外存如硬盘则提供大量存储空间，但访问速度最慢。这种设计基于程序访问的局部性原理，即程序倾向于在短时间内重复访问同一组数据。 三、半导体随机存取存储器： SRAM利用稳定电路保持数据，不需要刷新，适合做高速缓存；DRAM则需要定时刷新以防止电荷泄漏，容量大但速度较慢。两者在性能和应用场合上有显著区别。 四、只读存储器： ROM主要用于存储固定的系统信息，如BIOS。PROM、EPROM和EEPROM分别代表可编程只读存储器、可擦除可编程只读存储器和电可擦除可编程只读存储器，允许不同程度的改写。 五、主存与CPU的连接： 主存通过系统总线与CPU、运算器和控制器连接，处理数据传输。主存扩展涉及到地址映射和数据宽度匹配等问题，是系统设计的关键。 六、双口RAM和多模块存储器： 这些设计用于提高存储器的并行访问能力，提升系统性能。高位交叉和低位交叉多模块存储器则通过优化数据传输路径来减少延迟。 七、高速缓冲存储器（Cache）： Cache是提高系统性能的关键，其工作原理基于程序访问局部性。它通过映射机制将主存中的数据部分复制到快速的Cache中，通过替换策略处理容量限制，而Cache写策略则处理数据同步问题。 八、虚拟存储器： 虚拟存储器提供了一个比实际物理内存更大的逻辑地址空间，通过页表或段表实现虚拟地址到物理地址的转换。TLB（快表）加速了这一过程，减少了对主存的访问。 复习目标不仅包括了解各类存储器的特性，还要理解层次结构的设计目的，掌握Cache的工作原理、映射方式、替换策略以及虚拟存储器的实现，同时需要具备根据给定条件设计存储系统的能力。通过学习，应能解决存储器系统设计、性能分析和优化等相关问题。