湖南大学高级计算机体系结构笔记：性能优化与存储层次设计

湖南大学高等计算机体系结构课程笔记是由彭蔓蔓教授的研究生课程，该课程以《计算机体系结构：量化研究方法》（中文第五版）作为主要教材。课程内容涵盖了计算机体系结构的核心概念，特别是性能指标的分析，如响应时间和吞吐量量。在系统设计中，基本块的概念被强调，它们是一段顺序执行且无分支的代码，用于理解程序执行的基本单位。 存储器是系统的关键组成部分，课程讲解了三个主要的存储器指标：容量、速度和价格。此外，还深入探讨了不同层次的存储器组织，包括“Cache-主存”层次（用于提高主存速度）和“主存-辅存”层次（解决容量限制）。这些层次的设计涉及到映象规则（如全相联、直接映射和组相联），查找算法（区分顺序查找和并行查找），以及替换算法（随机、FIFO和LRU等策略的选择），以决定在缓存满时如何替换掉旧的块。 全相联映象允许每个主存块自由选择Cache中的位置，空间利用率最高但实现复杂；直接映射则简单但空间利用率低，适合于小容量Cache；组相联则是两者之间的折衷方案，通过划分组来平衡冲突概率和实现难度。在处理缓存访问时，使用目录表结构辅助查找，如MRU（最近最常使用）策略，以优化性能。 替换策略是写入操作的关键环节，写直达法会同时更新Cache和下一级存储器，而写回法则只更新Cache，当块被替换时再写回主存，这可能涉及“污染位”以标记脏数据。这两种策略各有优劣，写回法通常具有较低的失效率，但实现起来可能更为复杂。 这门课程深入剖析了计算机体系结构中的核心概念，对于理解和设计高效存储系统至关重要，对于从事IT领域的学生和专业人士来说，掌握这些理论和技术是提升技术水平的基础。