存储体系揭秘：段页式虚拟存储与Cache层次结构

本文主要介绍了计算机系统结构中的存储层次，特别是段页式虚拟存储器的地址映射。讨论了存储器层次结构的基本概念，访存局部性原理，以及存储体系的发展，包括早期的存储器、主存-辅存层次结构和Cache-主存层次结构。 在计算机系统中，存储器层次结构是一个重要的设计策略，它结合了不同性能、容量和成本的存储设备，形成一个统一的系统。存储层次的基本思想是利用高速缓存（Cache）和虚拟存储技术来提高整体存储系统的效率。早期的存储器系统中，主存和辅存是分离的，地址转换和信息调度由用户直接操作，而现在，这一过程主要由操作系统（OS）和硬件协同完成，对用户透明。 访存局部性原理是设计存储层次结构的基础，包括时间局部性和空间局部性。时间局部性指的是最近访问的数据很可能在未来短时间内再次被访问；空间局部性则指出，访问某一位置的数据后，其附近的其他数据也可能被快速访问。这一原理使得缓存机制能够有效提升性能，因为频繁访问的数据可以被预加载到快速的Cache中。 主存-辅存层次结构的目的是解决存储容量问题。辅存通常比主存大但速度慢，通过软硬件结合的方式，OS负责数据的调入调出，硬件处理地址变换。数据传输通常以页或段为单位，页大小固定，而段大小可变。当在主存中找不到所需数据时，会发生失效情况，此时可能需要进行程序切换。这一层次结构对应用程序员来说是透明的，但对于系统程序员来说，部分细节是可见的。 Cache-主存层次结构则是为了解决速度问题。Cache作为最快的存储层级，缓存最常访问的数据，减少对较慢主存的访问。当CPU需要数据时，首先查找Cache，如果找到则称为命中，否则称为未命中，未命中时数据会从主存中读取并放入Cache，这一过程称为替换。 段页式虚拟存储器是将程序按逻辑模块（段）划分，并将每段进一步分割成固定大小的页。地址映射时，CPU产生的逻辑地址包含段号和页号，通过段表和页表转换成物理地址。这种方式既实现了程序的模块化管理，也允许动态内存分配，同时通过虚拟地址和物理地址的映射，实现了内存保护和资源共享。 存储层次结构和段页式虚拟存储器的设计是为了解决计算机系统中存储容量、速度和成本之间的矛盾，以提供高效且灵活的内存管理。它们是现代计算机系统架构中的关键组成部分，对于优化程序执行效率和系统资源利用率起着重要作用。