计算机组成原理:内存与缓存技术讲解
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"这是一份关于计算机组成原理的英文课件,主要讲解了内存(Memory)的相关知识,包括内存层次结构、缓存的基础知识、不同类型的映射方式、写策略、替换策略以及如何改善缓存性能。课件还提到了处理器与内存性能差距的历史演变,展示了自1980年以来处理器性能与内存性能之间的差距日益扩大问题。" 在计算机科学中,内存是计算机系统中的关键组成部分,它存储程序的执行指令和数据。这份课件由Kai Huang分享,讨论了内存层次结构(Memory Hierarchy)和缓存(Cache)的重要性和必要性。内存层次结构是由不同的存储器级别构成的,如寄存器、高速缓存、主内存和磁盘存储,每一层都有不同的速度和容量特性,旨在平衡性能和成本。 缓存是用来缓解CPU与主内存之间速度差距的解决方案。课件中提到了三种基本的缓存映射方式: 1. 直接映射(Direct Mapped Cache):每个主内存块只能映射到缓存的一个特定位置。 2. 组关联映射(Set Associative Mapping):每个主内存块可以映射到缓存中一个组内的多个位置。 3. 完全关联映射(Fully Associative Mapping):主内存块可以映射到缓存中的任何位置。 此外,缓存的工作还包括写策略(Write Policy),如写直达(Write-Through)和写回(Write-Back),以及替换策略(Replacement Policy),如LRU(最近最少使用)和随机替换等。 课件还指出,自1980年以来,处理器性能每年增长约55%,而内存(DRAM)性能每年增长仅为7%,导致处理器与内存之间的性能差距以每年50%的速度增长。这种差距被称为处理器-内存性能差距,是现代计算机系统面临的一大挑战。为了解决这个问题,缓存技术不断优化,以减少由于内存访问延迟导致的处理器空闲周期(Memory Stall Cycles)。 改善缓存性能的方法包括提高缓存命中率、优化替换策略、采用更高效的写策略以及通过多级缓存结构来进一步减小延迟。随着技术的发展,理解和掌握这些内存管理概念对于设计高效能的计算机系统至关重要。
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