存储器层次结构：替换算法详解及常用策略

在南航计算机组成原理的课程中，第七讲重点探讨了存储器层次结构，这是理解现代计算机系统性能的关键部分。替换(Replacement)算法作为淘汰策略的核心内容，在组相联映射的主存管理中起着决定性作用。当主存空间不足以容纳新的数据时，如何选择合适的替换策略来腾出空间是至关重要的。 首先，课程介绍了几种常见的替换算法： 1. 先进先出(FIFO)：按照数据进入缓存的时间顺序淘汰最早添加的数据。 2. 最近最少使用(LRU)：优先淘汰最近最少被访问的存储块。 3. 最不经常使用(LFU)：基于数据访问频率来决定淘汰哪些块。 4. 随机替换：随机选择一块数据进行替换，通常在某些特定情况下使用，如为了增加算法复杂度或减少策略依赖。 存储器层次结构包括多个层次，如主存、高速缓冲存储器（Cache）和虚拟存储器，它们按照速度和容量的不同进行组织。其中，Cache是介于主存和CPU之间的高速缓存，利用程序访问的局部性原理，通过高效的替换算法优化性能。主存与CPU的连接涉及到地址映射、读写操作和指令执行流程，例如“装入”和“存储”指令的具体操作。 虚拟存储器是另一个关键概念，它提供了一个比实际物理内存更大的地址空间，通过页表管理和替换机制，使得程序能够运行在比实际可用内存大得多的地址空间内。虚拟地址空间、虚拟地址到物理地址的转换以及存储保护等概念在这一部分得到了深入讲解。 此外，存储器的分类也是课程内容的一部分： - 按工作性质分类，主要有随机存取存储器(RAM)、顺序存取存储器(SAM)和直接存取存储器(DAM)，以及相联存储器（AM），如内容寻址存储器(CAM)。 - 按存储介质分类，涵盖了半导体存储器，如双极型器件，以及其他类型的存储介质。 通过学习这些内容，学生不仅能够了解替换算法在计算机内存管理中的作用，还能深入理解存储器层次结构的设计原理和存储器的分类，这些都是操作系统和计算机体系结构领域的重要基础。对于准备考研的学生来说，这部分知识是理论和技术相结合的精华，对后续的研究和实际项目开发具有深远影响。