存储层次
存储的核心概念
存储的核心概念存储是计算机系统中的一个重要组成部分，用于存储和管理数据和程序。
它允许计算机在执行指令和处理数据时进行读写操作，并且可以长期保存数据以供以后使用。
存储的核心概念包括存储层次结构、存储器层次、主存储器和辅助存储器。
一、存储层次结构计算机中的存储层次结构是根据存取速度和容量来划分的，它分为多个层次，每个层次都有自己的特点和功能。
存储层次结构从上到下分为：寄存器、高速缓存、主存储器、辅助存储器。
下面我将逐一介绍这些层次。
1. 寄存器：寄存器是存储器层次结构中最接近CPU 的一层，也是最快的一层。
它用于存放CPU 需要立即访问的数据和指令。
寄存器的容量很小，一般只有几十个字节，但是它的读写速度非常快，能够满足CPU 对数据和指令的高速处理需求。
2. 高速缓存：高速缓存是位于CPU 和主存储器之间的一层存储器，作为主存储器和寄存器之间的缓冲区，用于加速CPU 对数据和指令的访问。
高速缓存的容量比寄存器大，但比主存储器小，一般几十到几百个千字节。
它的读写速度比主存储器快，但比寄存器慢。
它通过缓存一部分主存储器中的数据和指令，提高了CPU 对存储器的访问效率。
3. 主存储器：主存储器（也叫内存）是计算机系统中最重要的存储器，用于存放程序和数据。
它的容量比高速缓存大，一般几十到几百个千兆字节。
主存储器的读写速度比高速缓存慢，但比辅助存储器快。
它能够提供给CPU 进行读写操作。
4. 辅助存储器：辅助存储器（也叫外存）是计算机系统中最大的存储器，负责长期保存数据和程序。
它的容量比主存储器大，可以达到几百个千兆字节或者更大。
辅助存储器的读写速度比主存储器慢，但它具有永久存储的特点，即使计算机断电，数据也不会丢失。
以上是存储层次结构中的几个层次，不同层次的存储器在容量、读写速度、价格等方面都有所不同，通过合理地利用这些存储器，可以提高计算机系统的性能和效率。
二、存储器层次存储器层次是指存储器在层次结构中的位置和关系。
云存储的基本架构
云存储的基本架构
云存储的基本架构通常包括四个主要层次：存储层、基础管理层、应用接口层和访问层。
以下是对这四个层次的详细解释：
1. 存储层：这是云存储最基础的部分，由各种存储设备组成。
这些设备可以是光纤通道存储设备、IP存储设备（如NAS和iSCSI）或DAS存储设备（如SCSI或SAS）等。
这些存储设备通过广域网、互联网或FC光纤通道网络连接在一起，形成一个庞大的存储网络。
在存储层之上，通常会有一个统一存储设备管理系统，该系统可以实现存储设备的逻辑虚拟化管理、多链路冗余管理，以及硬件设备的状态监控和故障维护。
2. 基础管理层：这是云存储最核心的部分，也是最难以实现的部分。
基础管理层通过集群、分布式文件系统和网格计算等技术，实现云存储中多个存储设备之间的协同工作，使多个的存储设备可以对外提供同一种服务，并提供更大更强更好的数据访问性能。
3. 应用接口层：这是云存储最灵活多变的部分。
它可以根据实际需求提供各种应用接口，例如视频监控应用平台、IPTV和视频点播应用平台、网络硬盘引用平台，远程数据备份应用平台等。
4. 访问层：任何一个授权用户都可以通过标准的公用应用接口来登录云存储系统，享受云存储服务。
云存储运营单位不同，云存储提供的访问类型和访问手段也不同。
请简要介绍存储器层次结构及其作用。
请简要介绍存储器层次结构及其作用。
存储器层次结构是计算机体系结构中的一个重要概念，用来描述计算机中不同层次的存储器组织和作用。
它是按照存储器访问速度和容量进行划分，并通过不同层次之间的数据传输来实现高效的数据访问。
存储器层次结构包括多层次的存储器，从高速小容量的寄存器到低速大容量的辅助存储器。
存储器层次结构的作用主要有以下几个方面：1. 提高数据访问速度：存储器层次结构的最底层是寄存器，它位于CPU内部，速度最快。
寄存器被用来存储CPU需要立即访问的数据和指令。
而较高层次的存储器，如高速缓存和主存储器，虽然速度较寄存器慢，但容量更大，可以存储更多的数据和指令。
通过将频繁使用的数据和指令存储在高速缓存中，可以缩短CPU从主存储器中读取数据的时间，从而提高数据访问速度。
2. 增加存储容量：存储器层次结构的最高层是辅助存储器，如硬盘或固态硬盘。
辅助存储器的容量远大于其他层次的存储器，它可以存储大量的数据和程序。
虽然辅助存储器的速度较慢，但它提供了长期存储数据的能力，可以保存在断电后不会丢失的数据。
通过将不常用的数据和程序存储在辅助存储器中，可以释放高速缓存和主存储器的空间，提高系统的整体存储容量。
3. 优化存储器资源的利用：存储器层次结构可以根据不同的访问模式和数据访问特点来优化存储器资源的利用。
高速缓存作为CPU和主存储器之间的缓冲区，可以根据程序的局部性原理，预先将可能会被使用的数据和指令存储在高速缓存中，以提高命中率。
同时，高速缓存还可以利用替换算法来选取最不常用的数据进行替换，以保证高速缓存中存储的是最有用的数据。
4. 提高系统性能：存储器层次结构的设计可以提高系统的整体性能。
通过将数据和指令存储在更接近CPU的存储层次中，可以减少数据传输的延迟，加快数据访问速度。
同时，存储器层次结构还可以根据程序的特性和访问模式进行优化，提高命中率和数据的局部性，减少不必要的数据传输，提高系统的整体性能。
存储器层次结构在计算机体系结构中起着重要的作用。
存储器层次结构课件
优化成本：通过降低存储器的成 本来提高系统的性价比。例如， 使用更便宜的存储元件、优化设
计和批量生产等。
04 存储器层次结构性能评估 与优化方法
存储器层次结构性能评估指标
01
02
03
04
读取命中率
评估层次结构在读取操作中的 性能，衡量从存储器中获取所
需数据的速度和效率。
带宽
评估层次结构在数据传输方面 的性能，包括每秒传输的字节 数和每秒进行的操作次数。
存储器层次结构特点：存储器层次结构具有以下特点：1）访问速度逐层递减， 价格逐层递增；2）离CPU越近的存储器访问速度越快，价格也越高；3）离CPU 越远的存储器访问速度越慢，价格也越低。
存储器层次结构原理及应用
存储器层次结构应用场景- 嵌入式系统
服务器和数据中心：在服务器和数据中心中，由于需要处理大量的数据 和要求，通常采用较大的存储器层次结构，如主存储器、辅助存储器和
磁盘优化
采用更高效的磁盘技术 ，如SSD、HDD等，提 高磁盘I/O性能和存储容
量。
系统优化
通过优化操作系统、文 件系统和网络协议等，
提高整体系统性能。
存储器层次结构性能提升策略
负载均衡
通过公道分配负载，避免系统 过载或空载，提高整体性能。
缓存预热
在程序运行前，将热点数据提 前加载到缓存中，提高读取命 中率。
散布式文件系统等。
个人计算机：在个人计算机中，由于需要处理多种任务和应用程序，通 常采用适中的存储器层次结构，如高速缓存、主存储器和硬盘驱动器等 。
存储器层次结构原理及应用
存储器层次结构优化策略- 优化 访问速度
优化容量：通过增加存储容量来 满足不断增长的数据需求。例如 ，使用更大容量的硬盘驱动器、 内存模块和散布式文件系统等。
计算机体系结构存储器层次结构基础知识详解
计算机体系结构存储器层次结构基础知识详解计算机体系结构存储器层次结构是计算机系统中重要的组成部分，它通过不同层次的存储器来提供有效的数据存取方式，以满足计算机执行指令和运算的需求。
本文将详细介绍计算机体系结构存储器层次结构的基础知识，包括存储器的分类、层次结构和操作原理等方面。
一、存储器的分类存储器是计算机中用于存储数据和程序的设备，根据存储介质的不同可分为内存和外存。
内存存储器又可分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM是一种易失性存储器，用于存储程序和数据的临时信息，通电时可以读写数据，断电后数据就会丢失；ROM是一种非易失性存储器，用于存储程序和数据的固定信息，通电时只能读取数据。
外存储器包括硬盘、固态硬盘（SSD）和光盘等，主要用于长期存储大量数据和程序。
二、存储器的层次结构计算机体系结构存储器层次结构按照存取速度和成本的不同，可分为若干层次，由快到慢、由贵到廉排列为：寄存器、高速缓存、主存和外存。
寄存器是存储器层次结构中速度最快、容量最小的存储器，通常嵌入在中央处理器（CPU）中，用于存储最常用的数据和指令；高速缓存是位于CPU和主存之间的一层存储器，容量较小但速度快，用于缓存CPU频繁访问的数据块；主存是计算机中容量较大、速度较慢的存储器，用于存储程序和数据；外存是计算机中容量最大、速度最慢的存储器，用于长期存储大量数据和程序。
三、存储器的操作原理计算机体系结构存储器层次结构中的各层次存储器之间通过地址和数据进行交互。
当CPU需要访问某个数据或者指令时，首先会将相应的地址发给内存控制器，内存控制器会根据地址将数据从内存中读取出来并送达给CPU。
在这个过程中，CPU通常会先访问最快的寄存器，若寄存器中没有所需数据，则会在高速缓存中进行查找，如果高速缓存中也没有，则会继续在主存和外存中进行查找。
存储器的操作原理涉及到存储器的访问速度和命中率。
存储器的访问速度是指CPU从发送地址到接收到数据所需的时间，在不同层次存储器中，访问速度逐级变慢；命中率是指CPU在某个层次存储器中找到所需数据的概率，高速缓存的命中率通常较高，而主存和外存的命中率较低。
数据库的存储原理
数据库的存储原理数据库的存储原理是指将数据按照特定的结构和组织方式存储在存储介质上的一种方法。
不同类型的数据库可能会使用不同的存储原理，下面将介绍几种常见的数据库存储原理。
1. 层次存储原理：层次存储原理是最早的数据库存储结构之一，它将数据组织成一棵层次树的结构。
这种存储原理通过建立父子关系（一对多关系）来描述数据之间的关系。
优点是操作简单高效，但是数据的层次结构是静态的且存在冗余。
2. 网状存储原理：网状存储原理是一种比层次存储原理更加灵活的存储结构，它允许任意两个数据项之间建立联系。
这种存储原理通过指针相互关联，形成复杂的网状结构。
优点是能够灵活地表达数据之间的关系，但是存取效率较低，维护复杂。
3. 关系存储原理：关系存储原理是目前应用最广泛的数据库存储结构，它将数据组织成以表为基础的关系型结构。
这种存储原理通过使用行和列的结构来表示数据实体和属性，并利用关系代数对数据进行操作。
优点是结构清晰简洁，查询效率较高，但是关系型数据库的规范化设计对数据的冗余和一致性有一定要求。
4. 面向对象存储原理：面向对象存储原理是一种将数据封装为对象的存储结构。
这种存储原理通过将数据和操作封装为对象，支持继承、多态等面向对象特性。
优点是能够更好地反映现实世界的复杂关系，但是面向对象数据库的性能和成本相对较高。
5. NoSQL存储原理：NoSQL存储原理是一种非关系型数据库存储结构，它强调高可扩展性、高性能和灵活的数据模型。
这种存储原理可以使用键值对、文档、列族、图等不同的数据模型来存储数据。
优点是能够应对大规模和分布式环境下的数据处理需求，但是灵活性较强的数据模型可能导致数据一致性和查询复杂性的问题。
这些存储原理的选择取决于具体的应用场景和需求，开发人员可以根据实际情况选择最适合的存储原理来建立和管理数据库。
存储层次构成的主要依据
存储层次构成的主要依据一、引言在计算机系统中，存储器是非常重要的组成部分，用于存储和读取数据。
为了高效地管理存储器，人们将存储器分为不同的层次，每个层次有不同的特点和功能。
本文将介绍存储层次构成的主要依据。
二、存储层次的概念存储层次结构是指将存储器按照性能和价格的不同划分为多个层次，每个层次具有不同的特点和功能。
存储层次结构通常由高速缓存、主存储器和辅助存储器组成。
三、主要依据存储层次的划分主要依据是存储介质的访问时间和成本。
存储介质的访问时间指的是从存储器中读取或写入数据所需的时间，成本指的是购买存储介质所需的金钱。
1. 高速缓存高速缓存是存储层次结构中最接近中央处理器（CPU）的一层。
它的特点是速度快、容量小且价格昂贵。
高速缓存的主要作用是暂时存储最常用的数据，以加快CPU的运行速度。
高速缓存的划分主要依据是数据的访问频率，常见的划分方法有一级缓存和二级缓存。
2. 主存储器主存储器是存储层次结构中位于高速缓存之后的一层。
它的特点是速度适中、容量较大且价格相对较低。
主存储器的主要作用是存储正在运行的程序和数据，供CPU进行读取和写入操作。
主存储器的划分主要依据是存储介质的访问时间和成本，常见的划分方法有动态随机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）。
3. 辅助存储器辅助存储器是存储层次结构中位于主存储器之后的一层。
它的特点是容量大、价格相对较低，但访问速度较慢。
辅助存储器的主要作用是长期存储程序和数据，供需要时进行读取和写入操作。
辅助存储器的划分主要依据是存储介质的访问时间和成本，常见的划分方法有硬盘驱动器、光盘和闪存。
四、存储层次的作用存储层次结构的划分使得计算机系统能够根据访问时间和成本的要求，将数据存储在不同的层次中。
通过高速缓存、主存储器和辅助存储器之间的数据传输，可以提高计算机系统的运行速度和存储能力。
存储层次结构还能够根据不同的应用需求，灵活地扩展存储容量和提高存储性能。
存储层次的概念
存储层次的概念存储层次是计算机系统中用于数据存储和访问的层次化结构。
它由多个层次组成，每个层次都有不同的特点和功能，能够提供不同的存储介质和访问速度，以满足计算机系统对存储的不同需求。
在计算机系统中，存储层次从上到下分为：寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。
下面将对每个层次的概念进行详细介绍。
寄存器是CPU内部的存储区域，它的容量较小但速度很快。
寄存器可以直接由CPU访问，因此对计算机系统的性能具有重要影响。
寄存器的主要作用是存放CPU的指令和数据，以及临时保存中间结果。
寄存器的访问速度通常在纳秒级别，是其他层次不能比拟的。
高速缓存是位于CPU和主存储器之间的存储区域，它的容量较小但速度较快。
高速缓存主要用于缓存主存储器中的数据和指令，以提高CPU对数据和指令的访问速度。
高速缓存的访问速度通常在纳秒级别，比主存储器快一些。
主存储器是计算机系统中主要的存储介质，它的容量较大但速度较慢。
主存储器用于存放程序和数据，以供CPU读取和写入。
主存储器的访问速度通常在毫秒级别，比CPU的寄存器和高速缓存要慢很多。
辅助存储器是计算机系统中最大的存储介质，它的容量很大但速度较慢。
辅助存储器主要用于长期存储大量的程序和数据。
辅助存储器包括硬盘、光盘、磁带等，这些存储介质的访问速度通常在毫秒级别以上，比主存储器还要慢一些。
存储层次的设计目标是在不同的存储介质之间提供适当的平衡，以满足计算机系统对于存储需求的性能和容量要求。
高速缓存的引入可以提高系统的访问速度，降低CPU对主存储器的访问。
同样地，辅助存储器的引入可以提供大容量的存储空间，满足系统对于长期存储的需要。
在实际的存储层次设计中，还需要考虑访问的局部性原理。
局部性原理指出，计算机程序在执行时倾向于访问最近被访问过的存储单元附近的存储单元。
基于这个原理，存储层次的设计采用了缓存和预取等技术，以提高系统对数据的访问效率。
存储层次的设计还需要考虑成本和性能之间的平衡。
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第三章 存储层次
3.1 存储系统的层次结构 3.1.1 存储系统的层次结构
存储系统的性能直接影响到整个计算机系统的性能。用 户希望“容量大、速度快、价格低”与现实的存储器的容量、 速度和位价的关系（如下图所示）是矛盾的。因此如何以合 理的价格，设计容量和速度都能满足系统要求的存储器系统， 始终是计算机系统结构设计中的关键问题之一。方法：采用 多种存储器技术，构成多级存储层次结构。
组号 块号 Cache
0
0 1
1
2 3
主存 块号
0 1 2 3 4 5 6 7
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第三章 存储层次
3.2 Cache基本知识 3.2.3 查找方法
Cache中设有一个目录表，每一个Cache块在该表都有唯 一的一项，用于指出当前该块存放的信息是哪个主存块的。 它实际上记录了该主存块块地址的高位部分，称为标识 （tag），所以存放目录表的存储器又叫标识存储器。
缺点：速度慢。在进行写操作时CPU必须等待，直到写操作 结束，称为CPU写停顿。减少写停顿的常用方法是采用写缓 冲器。
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第三章 存储层次
3.2 Cache基本知识 3.2.5 写策略
2、写回法
方法：只把数据写入Cache中相应的块，并设置“修改位” 标志，当该块被替换时才根据“修改位”标志决定是否写回 下一级存储器。
主存地址：
标识
索引
块地址
块内位移
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第三章
3.2 Cache基本知识 3.2.3 查找方法
1、用相联存储器现实
h位 标识
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存储层次
g位 索引
从2g组中 选择一组
标识存储器
… 相联比较 ●
…
总容量：2g×n项
组内块地址（log2n位）
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10%
256K 64K 16K 4K
不 命 5% 中 率
0 16
32
64
128
256
块大小（字节）
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第三章 存储层次
3.2 Cache基本知识 3.2.4 替换算法
1、随机法
方法：随机地选择被替换的块。
优点：简单、易于硬件实现。
缺点：命中率低。
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第三章 存储层次
3.2 Cache基本知识 3.2.4 替换算法2、先进先出法 NhomakorabeaFIFO）
高快小
寄存器 缓存 主存 磁盘 磁带
位速容 价度量
低慢大
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第三章 存储层次
3.1 存储系统的层次结构 3.1.1 存储系统的层次结构
1.程序访问的局部性原理
程序访问的局部性原理是指：程序访问的指令和数据在 地址上并不是均匀分布的，而是相对族聚的。它包含两个方 面：时间局部性和空间局部性。
3、CPU与M1之间传送信息一般以字为单位，而与M2及以 下的存储器之间一般以块或页面为单位传送信息。
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第三章 存储层次
3.1 存储系统的层次结构 3.1.2 存储系统的性能参数
以两级存储层次结构为例：
1.存储容量S：S=S2
2.平均位价C：C=(C1S1+C2S2)/(S1+S2)
时间局部性是指程序将要用到的信息很可能就是现在正 在使用的信息，典型例子是循环程序；空间局部性是指程序 将要用到的信息很可能与现在正在使用的信息在存储空间上 是相邻的。
程序访问的局部性原理是使多级存储层次成为可能的一 个重要特征。
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第三章 存储层次
3.1 存储系统的层次结构 3.1.1 存储系统的层次结构
主存 块号
0 1 2 3 4 5 6 7
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第三章 存储层次
3.2 Cache基本知识 3.2.2 映像规则
3、组相联映像
在组相联映像中，Cache被分为若干组，每组若干块组成。 主存中的每一块可以被放置在Cache中唯一一个组中的任意 一个位置上。显然它是全相联映像和直接映像的一个折中。
第三章 存储层次
3.2 Cache基本知识 3.2.3 查找方法
2、用单体多字的按地址访问的存储器和比较器现实
以下是4路组相联并行标识比较的实现原理图：
h位
g位
主存块地址 标识
索引
h位 g位
第1组 h位
第2组 h位
第3组 h位
第4组 h位
…
…
…
…
否 是否 是否 是否 是
=?
=?
=?
=?
h位比较器
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优点：速度快。
缺点：不能很好地保证Cache和主存内容的一致性。
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第三章 存储层次
3.3 降低Cache不命中率 1、增加Cache块大小
如下图所示为不同Cache容量的情况下，不命中率和块的 大小的关系。Cache容量越大，不命中率达到最低的块大小 就越大。但要注意增加块大小同时也增加不命中开销。
3.1 存储系统的层次结构 3.1.3 三级存储系统
目前，大多数计算机都采用了由Cache、主存储器和磁盘 存储器（辅存）构成的三级存储系统，它也可以看成是由 “Cache-主存”层次和“主存-辅存”层次构成。
Cache
主存
辅存
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第三章 存储层次
3.1 存储系统的层次结构 3.1.3 三级存储系统
优点：能正确反应程序的局部性，命中率较高。
缺点：实现比较复杂。
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第三章 存储层次
3.2 Cache基本知识 3.2.5 写策略
1、写直达法
方法：在执行“写”操作时，不仅把数据写入Cache中相应 的块，而且也写入下一级存储器。
优点：易于实现且能很好地保证Cache和主存内容的一致性。
方法：选择最早调入的块作为被替换的块。
优点：简单、易于硬件实现。
缺点：不能正确反应程序的局部性。
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第三章 存储层次
3.2 Cache基本知识 3.2.4 替换算法
3、近期最少使用法（Least Recently Used，LRU）
方法：选择近期使用次数最少的块作为被替换的块。也经常 使用选择最久没有被访问过的块作为被替换的块（LFU）的 算法来替代。
3.命中率H：H=N1/(N1+N2)；其中N1和N2分别为访问M1和M2的 次数。显然1-H为不命中率。
4.平均访存时间TA：TA=T1+(1-H)TM；其中T1为命中时间，TM 为不命中开销。
CPU
M1 (T1,S1,C1)
M2 (T2,S2,C2)
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第三章 存储层次
Cache 存储体
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第三章 存储层次
3.2 Cache基本知识 3.2.2 映像规则
1、全相联映像
全相联映像是指主存中的任意一块可以被放置在Cache中 的任意一个位置。
块号 Cache
0 1 2 3
主存 块号
0 1 2 3 4 5 6 7
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切换到其他进程
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第三章 存储层次
3.1 存储系统的层次结构 3.1.4 存储层次的四个研究问题
（1）当把一个块（页）调入高一层存储器时，可以放在哪 些位置上？（映像规则）
（2）当所要访问的块（页）在高一层存储器时，如何找到 该块（页）？（查找算法）
（3）当发生不命中而且高一层存储器已经满时，应替换哪 一块（页）？（替换算法）
2.存储系统的多级层次结构
如下图所示是存储系统的多级层次结构，其中T表示存储
器的访问时间，S表示容量，C表示位价。整个存储器要实现
的目标是：从CPU来看，该存储系统的速度接近于M1，而容 量和位价接近于Mn。
CPU
M1 (T1,S1,C1)
M2 (T2,S2,C2)
存储层次
……
Mn (Tn,Sn,Cn)
“Cache-主存”层次和的区别如下表：
比较项目
“Cache-主存”层次
目的
为弥补主存速度的不足
存储管理的实现
全部由专用硬件实现
访问速度的比值
几比一
典型的块或页大小
几十字节
CPU对第二级的访问方式
可直接访问
不命中时CPU是否切换
不切换
“主存-辅存”层次 为弥补主存容量的不足
主要由软件实现 几万比一
几百到几千字节 均通过第一级
（4）当进行写访问时，应进行哪些操作？（写策略）
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第三章 存储层次
3.2 Cache基本知识 3.2.1 基本结构和原理
来自CPU
主存地址
主存地址 块地址 块内地址
不命中 主存→Cache
地址转换
访问主存 调入一块
命中
Cache地址 块地址 块内地址
主存
Cache 至CPU
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第三章 存储层次