层次存储结构

A. 层次结构存储系统（一）

6.1 存储器概述

6.2 主存与CPU的连接及其读写

本章主要介绍层次化存储结构的几类存储器的工作原理和组织形式，主要包括：半导体随机存取存储器，只读存储器，Flash存储器，磁盘存储器等不同类型存储器的特点，存储芯片和CPU连接，高速缓存的基本原理以及虚拟存储系统的实现技术等。

6.1.1 存储器的分类

6.1.2 主存储器的组成和基本操作

如图所示是主存储器的基本框图。其中一个个存储0或1的记忆单元（cell）构成的存储序列
是存储器的核心部分。这种记忆单元也称为存储体、存储矩阵。

为了存取存储体中的信息，必须对存储单元编号，所编号码就是地址。编制单元是指那些具有相同地址的那些位元构成的一个单位，可以是一个字节或者一个字。对各存储单元进行编号的方式称为 编址方式 ，可以按 字节编址 ，也可以按 字编址 。现在大多数通用计算机都采用字节编址方式，此时，存储体内一个地址中有一个字节。

如图所示，指令执行过程中需要访问主存时，CPU首先把需访问单元的地址送到主存中的 地址寄存器 ，以便 地址译码器 进行译码后选中相应单元。同时，CPU将读/写控制信号通过控制线送到主存的读写控制电路。

图中采用64位数据线，因此，在字节编址方式下，每次最多可以存取8个字节的内容。地址线的位数决定了主存地址空间的 最大可寻址范围 。例如，36位地址的最大可寻址范围为0~2^36-1。

6.1.3 存储器的主要性能指标

6.1.4 各类存储元件的特点

6.1.5 存储器的层次存储结构

数据使用时一般只在相邻两层之间复制传送，而且总是从慢速存储器复制到快速存储器。传送的单位是一个 定长块 ，因此需要确定定长块的大小，并且在相邻两层间建立块之间的映射关系。

6.2.1 主存模块的连接和读写操作

B. 计算机存储层次结构

计算机存储层次结构

计算机的存储层次结构是一种层次化的存储系统设计，它将不同速度、成本和容量的存储设备组织在一起，以高效地满足程序对数据的存储需求。这种层次结构通常由多个层级构成，每个层级都有其独特的特点和作用。

主存储器（主存）

位于存储层次结构的最顶层是主存储器，也叫做内存。主存是计算机中暂时存储数据和指令以供CPU直接访问的地方。由于其速度很快（与CPU的速度相近），因此它是决定计算机性能的关键因素之一。但是，主存的容量相对较小，价格较高，且在断电后无法保存数据。

辅助存储器（辅存）

紧挨着主存的是辅助存储器，如硬盘、固态硬盘（SSD）等。辅存的容量远大于主存，而且即使在断电后也能永久保存数据。不过，与主存相比，辅存的访问速度较慢。为了弥补这一差距，计算机会将频繁使用的数据和指令从辅存预先加载到主存中。

缓存

在主存和CPU之间，通常还有一个或多个级别的缓存（如L1、L2、L3缓存）。缓存是一种高速、小容量的存储设备，用于暂存CPU即将处理的数据和指令。由于缓存的速度非常接近于CPU，因此它可以显着减少对主存的访问次数，从而提高计算机的总体性能。

存储层次结构的工作原理

当CPU需要读取或写入数据时，它首先会检查数据是否已经在缓存中。如果是，则称为缓存命中，CPU可以直接从缓存中访问数据，而无需等待访问主存或辅存的时间。如果数据不在缓存中（缓存未命中），CPU则需要从主存或辅存中检索数据，并可能需要将其加载到缓存中以便将来使用。存储层次结构的设计目标是最大限度地提高缓存命中率，从而减少访问较低层级存储设备的次数，并最终提高计算机系统的整体性能。