虚拟存储器与CPU缓存:扩展内存的原理与策略
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更新于2024-08-22
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本资源主要聚焦于计算机组成课程中的关键知识点——CPU、缓存、主存以及虚拟存储器。首先,我们了解到了存储器体系结构中的重要组成部分,包括CPU缓存作为提高性能的高速缓冲区,主存(RAM)作为计算机的核心存储器,以及辅存如硬盘、光盘和磁带等长期存储设备。虚拟存储器是课程的重点,它是一个逻辑上的大容量存储模型,利用外部存储扩展主存,以解决存储容量和速度之间的矛盾。
虚拟存储器的基本概念包括以下几个方面:
1. **概念**:虚拟存储器是通过模拟一个远大于实际内存的地址空间,让用户程序感觉可用内存无限,实际上是借助磁盘等外存实现的。它不仅解决了存储容量的问题,还提供了有效的存储设备管理手段。
2. **实地址与虚地址**:虚地址是编程使用的逻辑地址,通常由编译器生成,而CPU实际访问的是物理地址。虚地址空间的大小取决于虚地址位数,而实地址空间取决于地址总线宽度。程序运行时,虚地址会被转换为物理地址进行访问。
3. **访问过程**:用户程序在辅存中按虚地址编写,运行时通过地址变换机构将所需部分调入主存。访问时,先检查虚地址是否在内存中,若在则直接访问,否则可能需要进行替换算法选择合适的数据块调入内存。
4. **虚拟地址空间与实地址空间的关系**:虚拟地址空间可以远大于实地址空间,目的是提高存储容量,而小于实地址空间的情况常用于多用户或资源共享,通过地址变换优化内存使用。
5. **比较与问题**:虚拟存储器与缓存相比,虽然都能扩大存储容量,但虚拟存储器更侧重于逻辑地址空间的管理和全局视图,而缓存则是为减少CPU访问主存的延迟。课程中还会涉及不同的虚拟存储器实现方式,如页式、段式和段页式,以及替换算法的选择。
这门课程涵盖了计算机组成的基础概念,特别是关于存储器管理和虚拟化技术的深入理解,对于理解现代计算机系统如何高效利用有限的硬件资源至关重要。
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