層次存儲結構

A. 層次結構存儲系統（一）

6.1 存儲器概述

6.2 主存與CPU的連接及其讀寫

本章主要介紹層次化存儲結構的幾類存儲器的工作原理和組織形式，主要包括：半導體隨機存取存儲器，只讀存儲器，Flash存儲器，磁碟存儲器等不同類型存儲器的特點，存儲晶元和CPU連接，高速緩存的基本原理以及虛擬存儲系統的實現技術等。

6.1.1 存儲器的分類

6.1.2 主存儲器的組成和基本操作

如圖所示是主存儲器的基本框圖。其中一個個存儲0或1的記憶單元（cell）構成的存儲序列
是存儲器的核心部分。這種記憶單元也稱為存儲體、存儲矩陣。

為了存取存儲體中的信息，必須對存儲單元編號，所編號碼就是地址。編制單元是指那些具有相同地址的那些位元構成的一個單位，可以是一個位元組或者一個字。對各存儲單元進行編號的方式稱為 編址方式 ，可以按 位元組編址 ，也可以按 字編址 。現在大多數通用計算機都採用位元組編址方式，此時，存儲體內一個地址中有一個位元組。

如圖所示，指令執行過程中需要訪問主存時，CPU首先把需訪問單元的地址送到主存中的 地址寄存器 ，以便 地址解碼器 進行解碼後選中相應單元。同時，CPU將讀/寫控制信號通過控制線送到主存的讀寫控制電路。

圖中採用64位數據線，因此，在位元組編址方式下，每次最多可以存取8個位元組的內容。地址線的位數決定了主存地址空間的 最大可定址范圍 。例如，36位地址的最大可定址范圍為0~2^36-1。

6.1.3 存儲器的主要性能指標

6.1.4 各類存儲元件的特點

6.1.5 存儲器的層次存儲結構

數據使用時一般只在相鄰兩層之間復制傳送，而且總是從慢速存儲器復制到快速存儲器。傳送的單位是一個 定長塊 ，因此需要確定定長塊的大小，並且在相鄰兩層間建立塊之間的映射關系。

6.2.1 主存模塊的連接和讀寫操作

B. 計算機存儲層次結構

計算機存儲層次結構

計算機的存儲層次結構是一種層次化的存儲系統設計，它將不同速度、成本和容量的存儲設備組織在一起，以高效地滿足程序對數據的存儲需求。這種層次結構通常由多個層級構成，每個層級都有其獨特的特點和作用。

主存儲器（主存）

位於存儲層次結構的最頂層是主存儲器，也叫做內存。主存是計算機中暫時存儲數據和指令以供CPU直接訪問的地方。由於其速度很快（與CPU的速度相近），因此它是決定計算機性能的關鍵因素之一。但是，主存的容量相對較小，價格較高，且在斷電後無法保存數據。

輔助存儲器（輔存）

緊挨著主存的是輔助存儲器，如硬碟、固態硬碟（SSD）等。輔存的容量遠大於主存，而且即使在斷電後也能永久保存數據。不過，與主存相比，輔存的訪問速度較慢。為了彌補這一差距，計算機會將頻繁使用的數據和指令從輔存預先載入到主存中。

緩存

在主存和CPU之間，通常還有一個或多個級別的緩存（如L1、L2、L3緩存）。緩存是一種高速、小容量的存儲設備，用於暫存CPU即將處理的數據和指令。由於緩存的速度非常接近於CPU，因此它可以顯著減少對主存的訪問次數，從而提高計算機的總體性能。

存儲層次結構的工作原理

當CPU需要讀取或寫入數據時，它首先會檢查數據是否已經在緩存中。如果是，則稱為緩存命中，CPU可以直接從緩存中訪問數據，而無需等待訪問主存或輔存的時間。如果數據不在緩存中（緩存未命中），CPU則需要從主存或輔存中檢索數據，並可能需要將其載入到緩存中以便將來使用。存儲層次結構的設計目標是最大限度地提高緩存命中率，從而減少訪問較低層級存儲設備的次數，並最終提高計算機系統的整體性能。