计算机体系结构（张晨曦精品课程）课件

计算机体系结构是理解计算机系统核心工作原理的关键领域，张晨曦和刘依的精品课程深入讲解了其中的存储层次，特别是第五章集中讨论了存储器的分层结构以及Cache的相关知识。存储层次的设计旨在平衡存储器的容量、速度和价格这三者之间的矛盾。 存储层次的构建基于局部性原理，即程序执行时倾向于在较短时间内重复访问同一片数据。从单级存储器到多级存储器的演进，是通过不同类型的存储技术如高速缓存(Cache)、主存和辅助存储（如硬盘）来实现的。每一级存储器都有其特定的容量、访问时间和成本，多级存储层次的目标是使整体性能最优。 Cache是存储层次中的关键组件，它位于CPU和主存之间，用于缓解主存速度慢的问题。Cache的性能由几个关键参数衡量，包括命中率(H)、失效率(F)和平均访问时间(TA)。命中率是Cache提供所需数据的比例，失效率则是未在Cache中找到数据的情况。平均访问时间由命中时间和失效时的开销决定。 Cache和主存之间的映象规则决定了主存块如何映射到Cache的位置。全相联映象允许任何主存块映射到Cache的任何位置，提供最高的空间利用率但实现复杂。直接映象则将主存块一对一地映射到Cache特定位置，实现简单但冲突可能性大。 Cache的工作还涉及到查找算法、替换算法和写策略。查找算法用于确定数据是否在Cache中，替换算法则在Cache满时选择替换哪个块，写策略处理写操作时如何更新Cache和主存的数据一致性。 此外，主存和辅助存储层的作用也有所不同。"主存-辅存"层次主要解决容量问题，通过操作系统管理，当主存不足时，会通过页面调度机制将部分数据交换到慢速但容量大的辅助存储上。而"Cache-主存"层次则通过专用硬件快速响应CPU的请求，减少等待时间，提高系统性能。 计算机体系结构中的存储层次设计是一项复杂的优化任务，需要综合考虑速度、容量和成本，并通过Cache等技术提升整体系统的运行效率。理解这些概念对于系统设计和优化至关重要。