计算机系统结构：存储系统与虚拟存储技术

计算机专业中的计算机系统结构是一个广阔而深奥的领域，它涉及到计算机硬件和软件之间的交互，以及如何优化这些交互以提高整个系统的性能。在第四章“存储系统”中，我们聚焦于存储器的设计和优化，这是计算机性能的关键组成部分。 首先，存储系统的技术指标是衡量其性能的重要标准。理想情况下，我们需要高速度、大容量和低价格的存储器。然而，这三者往往不能兼得，因此产生了存储层次结构的概念，即通过构建高速缓存（Cache）、主存和辅助存储器（如硬盘）的三级存储系统来平衡这些矛盾。存储容量（SM）由宽度（W）、长度（l）和每字节数的位数（m）决定。访问时间（TA）、存贮周期（TM）和频宽（BM）是衡量速度的参数，而价格（c）则与每单位容量的价格有关。 虚拟存储器是解决内存容量有限问题的关键技术，包括页式和段页式两种类型。它允许将不常使用的程序部分存储在磁盘上，只有在需要时才调入内存，这样可以有效地扩大可用的内存空间。地址映像是虚拟存储器工作的重要环节，确保虚拟地址能够正确地映射到物理地址。页面替换算法如LRU（最近最少使用）、FIFO（先进先出）和OPT（最优替换）用于决定何时将页面从内存移出并替换新的页面。这些算法的模拟和性能分析对于理解虚拟存储器的性能至关重要。 高速缓冲存储器（Cache）是存储层次结构中的顶层，用于减少主存和CPU之间的通信延迟。Cache的地址映像方式有直接映射和组相联映射，其中组相联映像允许更高的命中率但增加了复杂性。LRU替换算法是一种常用的Cache替换策略，它根据最近使用频率来选择被替换的块。硬件实现LRU通常涉及复杂的计数器和比较器，而模拟和分析Cache的性能则需要考虑命中率（H）和平均访问时间（T），后者直接影响存储系统的效率。 存储系统的性能优化不仅依赖于提高命中率，还依赖于合理设计存储器层次之间的速度比例，以保证较高的访问效率（e）。当命中率接近1时，系统的访问时间接近Cache的访问时间，从而提升整体性能。 第四章“存储系统”的学习涵盖了存储器的关键技术和概念，包括技术指标、虚拟存储器的工作原理、Cache的设计与优化，以及如何通过这些手段来提升计算机系统的整体性能。理解和掌握这些知识点对于深入理解计算机系统结构至关重要。