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工作原理

[2] 高速緩沖存儲器通常由高速存儲器、聯(lián)想存儲器、替換邏輯電路和相應(yīng)的控制線路組成。在有高速緩沖存儲器的計算機系統(tǒng)中，中央處理器存取主存儲器的地址劃分為行號、列號和組內(nèi)地址三個字段。于是，主存儲器就在邏輯上劃分為若干行；每行劃分為若干的存儲單元組；每組包含幾個或幾十個字。高速存儲器也相應(yīng)地劃分為行和列的存儲單元組。二者的列數(shù)相同，組的大小也相同，但高速存儲器的行數(shù)卻比主存儲器的行數(shù)少得多。
 
聯(lián)想存儲器用于地址聯(lián)想，有與高速存儲器相同行數(shù)和列數(shù)的存儲單元。當(dāng)主存儲器某一列某一行存儲單元組調(diào)入高速存儲器同一列某一空著的存儲單元組時，與聯(lián)想存儲器對應(yīng)位置的存儲單元就記錄調(diào)入的存儲單元組在主存儲器中的行號。
 
當(dāng)中央處理器存取主存儲器時，硬件首先自動對存取地址的列號字段進行譯碼，以便將聯(lián)想存儲器該列的全部行號與存取主存儲器地址的行號字段進行比較：若有相同的，表明要存取的主存儲器單元已在高速存儲器中，稱為命中，硬件就將存取主存儲器的地址映射為高速存儲器的地址并執(zhí)行存取操作；若都不相同，表明該單元不在高速存儲器中，稱為脫靶，硬件將執(zhí)行存取主存儲器操作并自動將該單元所在的那一主存儲器單元組調(diào)入高速存儲器相同列中空著的存儲單元組中，同時將該組在主存儲器中的行號存入聯(lián)想存儲器對應(yīng)位置的單元內(nèi)。
 
當(dāng)出現(xiàn)脫靶而高速存儲器對應(yīng)列中沒有空的位置時，便淘汰該列中的某一組以騰出位置存放新調(diào)入的組，這稱為替換。確定替換的規(guī)則叫替換算法，常用的替換算法有:近少使用算法（LRU）、先進先出法（FIFO）和隨機法（RAND）等。替換邏輯電路就是執(zhí)行這個功能的。另外，當(dāng)執(zhí)行寫主存儲器操作時，為保持主存儲器和高速存儲器內(nèi)容的一致性，對命中和脫靶須分別處理。

存儲層次

 
主-輔存存儲層次 由于計算機主存容量相對于程序員所需要的容量來說總是太小，程序與數(shù)據(jù)從輔存調(diào)入主存是由程序員自己安排的，程序員必須花費很大精力和時間把大程序預(yù)先分成塊，確定好這些程序塊在輔存中的位置和裝入主存的地址，而且還要預(yù)先安排好程序運行時各塊如何和何時調(diào)入調(diào)出，因此存在存儲空間的分配問題。操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展使得程序員盡可能擺脫主、輔存之間的地址定位，同時形成了支持這些功能的“輔助硬件”，通過軟件、硬件的結(jié)合，把主存和輔存統(tǒng)一成了一個整體，如圖所示。這時，由主存、輔存形成了一個存儲層次，即存儲系統(tǒng)。從整體看，其速度接近于主存的速度，其容量則接近于輔存的容量，而每位的平均價格也接近于廉價的慢速的輔存平均價格。這種系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善，就逐步形成了現(xiàn)在廣泛使用的虛擬存儲系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，應(yīng)用程序員可用機器指令地址碼對整個程序統(tǒng)一編址，如同程序員具有對應(yīng)這個地址碼寬度的全部虛存空間一樣。該空間可以比主存實際空間大得多，以致可以存得下整個程序。這種指令地址碼稱為虛地址（虛存地址、虛擬地址）或邏輯地址，其對應(yīng)的存儲容量稱為虛存容量或虛存空間；而把實際主存的地址稱為物理地址、實（存）地址，其對應(yīng)的存儲容量稱為主存容量、實存容量或?qū)崳ㄖ鳎┐婵臻g

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