计算机体系结构中的存储器层次结构
非冯·诺依曼式计算机的体系结构
非冯·诺依曼式计算机体系结构指的是不同于冯·诺依曼计算机体系结构的计算机系统设计。
以下是一些常见的非冯·诺依曼式计算机体系结构：
新型存储器层次结构体系结构：这种体系结构包括存储器层次结构的新形式，例如存储器堆栈体系结构和存储器多通道体系结构。
数据流体系结构：这种体系结构中，指令并不严格按照程序顺序执行，而是根据数据的可用性和依赖关系进行执行，从而提高了性能。
模拟计算机体系结构：这种体系结构利用物理模型来执行计算任务，例如电子电路仿真器。
并行计算机体系结构：这种体系结构将多个处理器连接在一起，以同时执行多个任务，例如多处理器体系结构和计算机集群。
量子计算机体系结构：这种体系结构利用量子力学原理来执行计算任务，例如量子比特计算机。
这些非冯·诺依曼式计算机体系结构在不同的场景下都有其独特的优势和应用。
计算机组成原理pdf
计算机组成原理pdf计算机组成原理（Computer Organization）指的是将程序设计、算法、逻辑等高层次的计算机软件和底层的硬件结合起来，实现计算机功能的过程。
一般来说，计算机组成原理内容包括计算机的体系结构、硬件体系与功能模块、处理器结构与设计方法、存储器结构、输入输出结构等方面，其中各个部分之间构成一个紧密的系统。
计算机组成原理有助于提升学生的计算机基础知识，深度理解计算机体系结构，了解计算机实现原理，并掌握基本的计算机设计方法和工具。
同时，也对计算机系统的改进和优化提供了思路和方法。
1. 计算机体系结构计算机的体系结构定义了它的各个部件的功能、性能和组织方式，包括处理器结构、主存储器、I/O系统和总线结构等。
在体系结构方面，计算机可以分为单处理器、多处理器和分布式计算机等多种类型。
在单处理器计算机中，只有一个中央处理器（CPU）执行指令和控制系统操作。
多处理器计算机有多个处理器并行执行任务，增加了计算能力。
在分布式计算机中，任务被分割成多个子任务，由多个计算机共同完成，整体计算能力更强。
2. 硬件组成和功能模块计算机的硬件组成包括：中央处理器（CPU）、主存储器（RAM）、磁盘和输入输出设备等。
CPU主要负责计算和控制，主存储器则用于存储程序和数据。
硬盘和固态硬盘用于长期存储和备份。
输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器等。
CPU又包括运算器和控制器两个部分。
运算器用于执行计算任务，而控制器则负责指令的解码和执行。
整个CPU依靠时钟和总线实现数据和控制信息的传递。
3. 处理器结构和设计方法处理器结构是计算机组成原理主要研究方向之一，处理器结构设计可以保证计算机的性能和功耗之间达到平衡。
处理器结构可以分为冯·诺伊曼结构和哈佛结构。
冯·诺伊曼结构是将指令和数据存储在同一个存储器中，需要先将指令从存储器中取出再进行计算。
哈佛结构则将指令和数据存储在不同的存储器中，可以并行取指令和执行计算任务。
完整llc原理讲解
在计算机体系结构中，LLC（Last Level Cache，末级缓存）是位于处理器核心和主内存之间的一级缓存，用于提高存储器层次结构的性能。
以下是关于LLC的完整原理讲解：1. 层次存储结构：寄存器：位于处理器内部，速度最快，容量最小。
一级缓存（L1 Cache）：位于处理器核心，速度较快，容量适中。
二级缓存（L2 Cache）：位于处理器核心或共享于多个核心，速度适中，容量较大。
末级缓存（LLC）：位于所有核心共享的层次，速度相对较慢，但容量很大。
2. 共享和层次结构：LLC 是一个共享的缓存，它存储了所有核心可能需要共享的数据。
数据在从主内存传输到LLC时可能经过L2缓存，这形成了存储器层次结构的层次性。
3. 缓存替换策略：最近最少使用（LRU）：常见的缓存替换策略之一，根据数据最近的使用情况来确定替换的优先级。
随机替换：随机选择一项进行替换。
最不常用（LFU）：根据数据最不经常被使用来确定替换的优先级。
4. 缓存一致性：多核系统中，多个核心共享LLC，因此需要确保数据的一致性。
MESI（Modified, Exclusive, Shared, Invalid）协议等被用于管理缓存一致性。
5. 写策略：写回（Write Back）：只在缓存行被替换时才将修改过的数据写回主内存。
写直达（Write Through）：每次写操作都会同时更新缓存和主内存。
6. 预取和流水线填充：预取（Prefetching）：LLC通常会根据访存模式预取数据，以提高性能。
流水线填充（Pipeline Fill）：在预取阶段，数据可能会通过多个阶段的流水线进行填充。
7. 性能优化：缓存局部性（Cache Locality）：通过合理的数据结构和算法设计，提高数据在缓存中的局部性，减少缓存未命中的概率。
多线程和线程亲和性：合理调度线程，使得每个线程在访问数据时更有可能命中LLC。
8. 容量和关联度：容量：影响LLC存储的数据量，通常以MB为单位。
计算机组成原理试读稿_第3章存储器系统的层次结构_(初稿)【王道考研系列】2012计算机考研
大纲内容
（待补充）
已考真题分布
（待补充）
3.1 存储器的分类 3.1.1 考点精析
1. 存储器的分类（★）
存储器种类繁多，可以从不同的角度对存储器进行分类。 （1）按在计算机中的作用（层次）分类 1）主存储器：简称主存，又称内存储器（内存），用来存放计算机运行期间所需的大 量程序和数据，CPU可以直接随机地对其进行访问，也可以和高速缓冲存储器（Cache）以 及辅助存储器交换数据。其特点是容量较小、存取速度较快、每位价格较高。 2）辅助存储器：简称辅存，又称外存储器（外存），是主存储器的后援存储器，用来 存放当前暂时不用的程序和数据，以及一些需要永久性保存的信息，它不能与 CPU 直接交 换信息。其特点是容量极大、存取速度较慢、单位成本低。 3）高速缓冲存储器：简称Cache，位于主存和CPU之间，用来存放正在执行的程序段和 数据，以便CPU能高速地使用它们。Cache的存取速度可以与CPU的速度相匹配，但存储容量 小、价格高。目前的高档微机通常将它们或它们的一部分制作在CPU芯片中。 （2）按存储介质分类 按存储介质可分为磁表面存储器（磁盘、磁带）、半导体存储器（MOS 型存储器、双 极型存储器）和光存储器。 （3）按存取方式分类 1）随机存储器（RAM）：存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存 取时间与存储单元的物理位置无关。其优点是读写方便、使用灵活，主要用做主存或高速缓 冲存储器。 2）只读存储器（ROM）：存储器的内容只能随机读出而不能写入。信息一旦写入存储 器就固定不变了，即使断电，内容也不会丢失。因此，通常用它存放固定不变的程序、常数 和汉字字库，甚至用于操作系统的固化。它与随机存储器可共同作为主存的一部分，统一 构成主存的地址域。
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。
计算机组成原理中的存储器层次结构
计算机组成原理中的存储器层次结构在计算机科学领域中，存储器层次结构是指计算机系统中不同级别的存储器组成的层次结构。
这种层次结构的设计旨在提供快速的访问速度和大容量的存储能力。
存储器层次结构的核心原理包括高速缓存、主存储器和辅助存储器。
本文将探讨计算机组成原理中的存储器层次结构。
1. 高速缓存高速缓存是存储器层次结构中最接近中央处理器（CPU）的一级存储器。
其目的是通过存储最近使用的数据，提高CPU的访问速度。
高速缓存分为多级，包括一级缓存（L1）、二级缓存（L2）、三级缓存（L3）等。
一级缓存是与CPU核心直接相连的，访问速度最快，但容量较小；二级缓存容量稍大，速度较慢；三级缓存则更大但速度更慢。
高速缓存通过缓存命中和缓存未命中的机制，提高了计算机系统的整体性能。
2. 主存储器主存储器是存储器层次结构中的第二级存储器，也称为内存。
它用于存储正在执行的程序和数据。
主存储器容量较大，速度较高，但相对于高速缓存而言，仍然相对较慢。
主存储器以字节为单位进行寻址，每个字节都有唯一的地址。
CPU通过访问主存储器中的地址来读取或写入数据。
3. 辅助存储器辅助存储器是存储器层次结构中的最低一级存储器，也称为外存。
它用于长期存储数据和程序，如硬盘、固态硬盘和光盘等。
辅助存储器容量大，但访问速度较慢。
与主存储器相比，辅助存储器的数据传输速度更慢，但相对较便宜且容量更大。
存储器层次结构的设计原则是利用高速缓存和主存储器的快速访问速度，将经常访问的数据存储在这些层次的存储器中，以提高系统性能。
当CPU需要数据时，它会首先检查高速缓存，如果数据在高速缓存中，则为缓存命中；否则为缓存未命中，CPU将从主存储器中获取数据。
通过存储器层次结构，计算机系统可以有效地利用不同类型的存储器，平衡访问速度和存储容量的需求。
高速缓存提供了快速的访问速度，主存储器提供了大容量的存储能力，而辅助存储器则提供了长期存储的功能。
这样的层次结构设计有助于提高计算机系统的整体性能和效率。
西安电子科技大学_计算机组成与体系结构_第4章存储系统_课件PPT
存取方式 读写功能
随机读写：RAM 顺序(串行)访问：
顺序存取存储器 SAM 直接存取存储器 DAM
12
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质
在计算机中的用途
存放信息的易失(挥发)性
存取方式 读写功能
读写存储器 只读存储器
13
存储信息的介质
在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性 存取方式 读写功能
易失：RAM 非易失：
ROM 磁盘
……
11
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质 在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性
存储器的存取时间 与存储单元的物理 地址无关，随机读 写其任一单元所用
无
36
8086系统总线
D0～D7
A1～A13 MEMR MEMW
A0
D8～D15 A1～A13 MEMR MEMW
BHE
&
A19
A18
A17
&
A16 A15 A14
6264与8086系统总线的连接
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
74LS138
每次读出/写入的字节数 存取周期
价格
体积、重量、封装方式、工作电压、环境条件
14
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器的性能指标
容量 速度 可靠性
可维修部件的可靠性： 平均故障间隔时间（MTBF）
计算机系统组成是什么
计算机系统组成是什么计算机系统是如何组成的计算机系统是由多个不同组件、部件和技术构成的复杂系统。
每个组件都有特定的功能和目的，合在一起形成了一个完整的计算机系统。
计算机系统的组成主要包括以下几个方面：中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备、操作系统和应用软件。
1. 中央处理器（CPU）：中央处理器是计算机系统的核心，负责执行程序和处理数据。
它通常由控制单元和算术逻辑单元组成。
控制单元负责指挥和协调系统的各个部件，实现程序的顺序执行，而算术逻辑单元则负责执行算术和逻辑运算。
2. 存储器：存储器用于存储数据和程序。
计算机存储器层次结构分为主存储器和辅助存储器。
主存储器通常是使用半导体材料制造的随机访问存储器（RAM），用于存储当前正在运行的程序和处理的数据。
而辅助存储器（如硬盘、固态硬盘和光盘等）则用于长期存储数据和程序。
3. 输入输出设备：输入输出设备用于与外部世界进行交互。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪和摄像头等，用于将数据和命令输入到计算机系统中。
而输出设备如显示器、打印机和音频设备等则用于将计算机系统处理的结果反馈给用户。
4. 操作系统：操作系统是计算机系统的核心软件，它协调和管理计算机系统的各个硬件和软件资源。
操作系统负责分配CPU时间、内存管理、文件系统管理、设备管理和用户接口等。
常见的操作系统包括Windows、macOS和Linux等。
5. 应用软件：应用软件是用户使用计算机系统解决问题和完成工作的工具。
它包括各种办公软件、娱乐软件、图形设计软件、数据库管理软件等。
应用软件使用户能够利用计算机系统的功能实现各种任务和目标。
计算机系统的组成是一个相互协作的整体。
中央处理器通过存储器获取指令和数据进行处理，然后将结果输出到输出设备中显示给用户。
操作系统负责管理各个组件的资源和协调他们之间的通信。
应用软件则建立在操作系统之上，充分利用计算机系统的硬件和操作系统提供的功能。
另外，计算机系统的组成还涉及到计算机体系结构、总线技术、输入输出控制等方面。
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计算机体系结构中的存储器层次结构计算机体系结构中的存储器层次结构是指计算机系统中不同级别的存储器单元组织和层次结构。
存储器作为计算机系统中的核心组成部分，在数据存储和访问中起着重要的作用。
合理的存储器层次结构可以提高计算机系统的性能和效率，同时减少成本和功耗。
一、存储器的种类
计算机系统中的存储器包括主存储器（主内存）和辅助存储器（外部存储器）两种类型。
主存储器是计算机系统中用于存放当前执行的程序和数据的存储设备，具有容量大、访问速度快的特点。
而辅助存储器则是用于长期存储数据和程序的设备，具有容量大、访问速度相对较慢的特点。
二、存储器层次结构的原则
存储器层次结构的设计需要综合考虑容量、访问时间和成本等方面的因素。
常见的存储器层次结构包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器等多级结构。
下面将对每个级别的存储器进行详细介绍。
1. 寄存器
寄存器是位于CPU内部的最高速度的存储器，容量极小，但访问速度非常快。
寄存器直接被CPU使用，用于存放临时数据、操作数和地址等。
由于寄存器的容量较小，通常以位来计量其大小，如8位寄存器、16位寄存器等。
2. 高速缓存
高速缓存是位于CPU和主存储器之间的一级缓存，用于缓存最常
访问的数据和指令。
高速缓存的容量较大，访问速度也较快，能够有
效降低CPU对主存储器的访问时间。
高速缓存一般分为L1、L2和L3
三级，层级越高容量越大，但访问速度越慢。
3. 主存储器
主存储器是计算机系统中能够直接被CPU访问的存储设备，存放
程序和数据。
主存储器的容量较大，访问速度相对较慢。
主存储器根
据访问方式的不同，又可以分为RAM（随机访问存储器）和ROM
（只读存储器）等类型。
4. 辅助存储器
辅助存储器是计算机系统中的外部存储设备，如硬盘、光盘和闪存等。
辅助存储器的容量很大，但访问速度较慢。
辅助存储器主要用于
长期存储数据和程序，可以提供持久化的存储。
三、存储器层次结构的优化
合理设计和优化存储器层次结构可以提高计算机系统的性能和效率。
以下是一些优化的方法和策略：
1. 局部性原理：计算机程序和数据的访问具有局部性，即近期访问
的数据和指令很可能在不久的将来被再次访问。
利用局部性原理可以
提高高速缓存的命中率，减少主存储器访问时间。
2. 缓存替换策略：高速缓存容量有限，因此当所需数据在缓存中没有找到时，需要替换缓存中的某些数据。
常见的缓存替换策略包括最近最少使用（LRU）和最不经常使用（LFU）等。
3. 写策略：缓存和主存储器之间的数据一致性是设计存储器层次结构时需要考虑的问题。
常见的写策略有写回（Write Back）和写直达（Write Through）两种。
4. 块大小：存储器读取和写入的最小单位是块，块大小的选择会影响存储器的性能。
较大的块大小可以提高空间局部性，但也可能导致浪费。
5. 存储器映射：存储器层次结构中不同级别的存储器之间的映射方式对性能有很大影响。
常见的映射方式包括直接映射、全相联映射和组相联映射等。
综上所述，计算机体系结构中的存储器层次结构在提高计算机系统性能方面起到了重要的作用。
通过合理设计和优化存储器层次结构，可以提高存储器的访问速度和容量，并实现性能和成本的平衡，进一步推动计算机技术的发展。