虚拟存储器与CPU缓存：扩展内存的原理与策略

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。