"采用快慢表的地址变换过程-计算机系统结构存储层次"
在计算机系统结构中,存储层次是优化存储性能的关键技术。这一概念基于访存局部性原理,即程序倾向于在一段时间内集中访问同一区域的数据。存储层次通常包括高速缓存(Cache)、主存和辅助存储(如硬盘),它们在容量、速度和成本上形成梯度,以平衡性能与成本。
存储体系的基础是存储器层次结构,它将不同特性的存储设备组合在一起,形成一个统一的访问接口。早期的存储系统中,主存和辅存是独立的,信息交换需要通过运算器,而现在的系统中,这种层次结构主要通过硬件和软件的配合来实现,例如操作系统负责信息的调入和调出,而硬件则执行地址变换。
主存-辅存层次结构的目的是扩大存储容量,解决主存不足的问题。在这个层次中,操作系统管理和调度信息,通常以页或段为单位进行数据传输。当发生失效(主存中找不到所需数据)时,通常触发程序切换,将所需数据从辅存调入主存。这个层次对应用程序员来说是透明的,意味着他们无需关心数据的实际位置,但对系统程序员而言,其工作涉及到一定的透明性。
更进一步地,为了提高存储速度,引入了Cache-主存层次结构。Cache是一种高速、小容量的存储,位于CPU和主存之间,用于暂时存放频繁访问的数据。它的存在减少了CPU等待数据的时间,提高了系统性能。Cache的工作原理包括替换策略(如LRU, LFU等)和地址映射方式(如直接映射、全相联映射、组相联映射)。
地址变换是存储层次结构中的重要环节,它确保从CPU发出的逻辑地址能够正确地映射到物理地址。采用快慢表(也称为两级或多级页表)的地址变换过程可以提高效率。快表通常是一小部分快速访问的内存,用来缓存最近使用的页表项,减少访问主存中完整页表的次数。当CPU发出逻辑地址时,首先会在快表中查找,如果找到,则直接进行访问;若未找到,则会去慢表(通常是主存中的页表)查找,并可能更新快表,以备后续访问。
计算机系统的存储层次设计是为了平衡性能、容量和成本,通过快慢表的地址变换优化了这一过程,使得程序能够高效地运行在有限的高速存储资源上,同时充分利用大容量但较慢的存储设备。这种多层次的存储架构对于现代计算机系统来说至关重要,尤其是在虚拟存储器和多级缓存系统中,地址变换的效率直接影响着整体系统的响应速度。