优化程序性能：理解Cache与存储层次结构

"该资源是南航计算机组成原理课程的一部分，重点讲解了Cache和程序性能的关系，以及存储器层次结构。课程涵盖了存储器概述、主存与CPU的连接、高速缓冲存储器（Cache）、虚拟存储器等内容，旨在帮助学生理解和优化程序性能。" 在讨论Cache和程序性能时，首先提到了程序性能主要取决于执行时间，而执行时间又与指令和数据的访问时间紧密相关。Cache的作用在于减少访问主存的延迟，因为主存速度相对较慢。Cache的性能关键在于命中率，即数据是否能在Cache中找到。命中率受到程序的局部性原理影响，包括空间局部性和时间局部性。空间局部性是指程序连续访问的内存位置往往集中在一定区域内，而时间局部性则表示最近被访问过的数据在未来一段时间内可能还会被再次访问。 为了提高Cache命中率和程序性能，编程时应考虑如何利用数据的访问局部性。数组和结构等类型的数据通常通过循环语句访问，优化循环结构可以改善数据访问局部性。例如，可以通过循环展开、预取数据等方式来提升Cache效率。 存储器层次结构分为四部分：存储器概述、主存与CPU的连接及其读写操作、高速缓冲存储器（Cache）和虚拟存储器。在主存与CPU的连接中，讲解了主存模块的连接方式、读写操作以及“装入”和“存储”指令的过程。Cache部分深入探讨了程序访问局部性、Cache的工作原理、映射方式（如直接映射、全相联映射、组相联映射）以及它们对性能的影响。 虚拟存储器部分则介绍了虚拟地址空间的概念，它是如何通过页表机制实现在有限物理内存上运行大型程序的，以及存储保护机制，确保各个进程间数据的隔离。 存储器按照工作性质可以分为随机存取存储器（RAM）、顺序存取存储器（SAM）、直接存取存储器（DAM）和相联存储器（AM）。根据存储介质，有半导体存储器，如双极型和MOS型，以及磁性和光存储器等。 这个课程内容涵盖了存储系统的基础知识和优化策略，对于理解和提升计算机系统的整体性能至关重要，特别是对准备南航考研的学生来说，这部分知识是必不可少的。