计算机存储系统：存储器层次结构与Cache原理

本文主要介绍了计算机的存储系统，包括存储器的分类、层次化结构、半导体随机存取存储器（SRAM和DRAM）、只读存储器（ROM）、主存与CPU的连接、双口RAM、多模块存储器、高速缓冲存储器（Cache）以及虚拟存储器的相关知识。 一、存储器的分类： 存储器分为不同类型，如内存（主存储器）和外存（辅助存储器）。内存包括易失性存储（如RAM）和非易失性存储（如ROM）。RAM分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM），其中DRAM需要定期刷新来保持数据。ROM则包括可编程ROM（PROM）、可擦除可编程ROM（EPROM）和电可擦除可编程ROM（EEPROM）等。 二、存储器的层次化结构： 计算机存储系统通常采用Cache-主存-外存的层次结构，旨在平衡性能和成本。Cache用于缓存频繁访问的数据，减少主存访问次数，提高系统性能。主存通常是DRAM，容量较大但速度较慢。外存如硬盘或固态驱动器，容量大但访问速度慢。 三、半导体随机存取存储器： SRAM速度快但功耗高，适合做CPU附近的高速缓存。DRAM速度较慢，但密度高，适合做主存储器。DRAM需要定期刷新以保持数据，而SRAM不需要。 四、只读存储器： ROM主要用于存储固定不变的系统程序或数据，如BIOS。PROM、EPROM和EEPROM允许在制造后进行编程，其中EEPROM可以多次擦除和重写。 五、主存与CPU的连接： 主存通过系统总线与CPU、控制器和运算器相连，扩展主存时需要考虑地址线、数据线和控制信号的处理。 六、双口RAM和多模块存储器： 双口RAM允许多个处理器同时访问，提高并行处理能力。多模块存储器通过高位交叉和低位交叉技术提高访问速度和系统带宽。 七、高速缓冲存储器（Cache）： Cache基于程序访问的局部性原理工作，分为直接映射、全相联映射和组相联映射三种方式。替换算法如LRU（最近最少使用）和LFU（最不常用）。Cache写策略包括写直达和回写。 八、虚拟存储器： 虚拟存储器提供更大的地址空间，通过页表或段表管理物理内存和逻辑地址的映射。TLB（快表）加速页表查找，提高虚拟地址到物理地址转换的速度。 复习目标： 1. 理解各种存储器的特性和应用。 2. 掌握存储系统层次结构，理解Cache的作用和局部性原理。 3. 熟悉存储器设计，包括主存设计和存储芯片的链接。 4. 理解提高存储器访问速度的技术，如双口RAM和多模块存储器的计算。 5. 深入理解Cache的工作原理、映射方式、替换策略和写策略，以及虚拟存储器的实现方式和相关计算。