第6章 存储系统设计导读

本章是计算机组成原理中最具系统性的一章，主要探讨如何利用不同层级的存储介质，构建一个既快又大且便宜的存储系统。

核心逻辑梳理

1. 矛盾现状：

   • 用户希望：速度极快（像 CPU 寄存器）、容量极大（像硬盘）、价格极便宜。
   • 物理现实：速度快的容量小且贵；容量大的速度慢且便宜。

2. 解决方案 —— 层次化结构 (Hierarchy)：

   • Cache - 主存层次：主要解决 速度 问题。利用程序访问的局部性原理，将最常用的数据放在速度接近 CPU 的 Cache 中。全程由硬件自动完成，对程序员透明。
   • 主存 - 辅存层次 (虚拟存储)：主要解决 容量 问题。利用硬盘空间模拟内存，让程序以为自己拥有很大的连续地址空间。主要由操作系统+硬件协同完成。

3. 横向扩展 —— 并行存储：

   • 在不改变存储介质的前提下，通过交叉存取（类似多车道通车）来提高主存的带宽。

学习路线图

• 入门：理解 $T_A$（平均访问时间）和命中率 $H$ 的关系。
• 进阶：掌握 Cache 的三种映射方式（全相联、直接、组相联）的地址变换逻辑。
• 难点：Cache 替换算法（LRU）的手动模拟，以及 TLB + 页表 + Cache + 主存的综合访存流程。