存储子系统详解：CPU与主存的交互及层次结构

"本章介绍了计算机存储子系统的层次结构，包括Cache、主存和辅存的使用，旨在解决存储速度、容量和价格之间的平衡。主存由动态随机存储器（DRAM）和只读存储器（ROM）组成，提供快速访问但容量有限。辅存如磁盘、磁带和光盘等，容量大但速度慢，需通过主存间接访问。高速缓存（Cache）作为中间层，提供快速访问，通常比主存小且快，但价格更高。" 在计算机组成原理中，存储子系统扮演着至关重要的角色，它由多个层次的存储器构成，以满足不同的性能和容量需求。首先，主存，或称内存，是CPU直接访问的存储区域，它提供了快速的数据存取，但容量相对有限。主存主要由动态随机存取存储器（DRAM）如SDRAM和DDRAM等类型组成，这些技术不断提升，使得存取速度越来越快，容量也越来越大。 辅存，又称为外存，用于存储那些不急需但需要长期保存的大量数据和程序。辅存的速度相对较慢，但拥有极大的存储容量，成本较低。常见的辅存设备有磁盘、磁带、光盘和USB闪存等。由于CPU无法直接访问辅存，数据需要先加载到主存中才能处理，因此辅存起到了扩展主存容量的作用。 高速缓存，或Cache，位于主存和CPU之间，用于存储近期频繁访问的数据，以减少CPU等待时间。Cache的速度远超主存，但容量较小，价格昂贵。其工作原理是基于局部性原理，即程序执行时倾向于连续访问同一块内存区域。由于Cache的内容由硬件自动管理，程序员无法直接操控，而是由硬件根据预设的替换策略来决定何时将主存中的数据复制到Cache以及何时将Cache中的数据写回主存。 在存储子系统的层次结构中，CPU首先尝试从Cache获取数据，如果不在Cache中，则访问主存，如果主存中也没有，就需要从辅存加载。这种分层结构旨在平衡性能、容量和成本，使得计算机能够在保持高效运行的同时，还能存储大量信息。 刷新周期是动态随机存取存储器（DRAM）维护数据完整性的一个关键过程，因为DRAM需要定期刷新来防止数据丢失。集中刷新策略是在特定时间段内完成所有刷新操作，以确保主存的高效利用，同时尽量减少对正常读写操作的影响。在实际设计中，需要考虑刷新操作和CPU访问之间的协调，避免出现访问“死区”，保证系统的实时性能。 计算机的存储子系统是一个复杂而精细的设计，通过不同层次的存储器协同工作，实现了对数据的快速存取和大量存储，从而满足了现代计算的需求。