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CPU是如何访问主存储器的?

CPU(中央处理器)访问主存储器是通过一系列复杂的步骤和机制来实现的,这些步骤包括地址传送、存储器选择、数据传送以及控制信号传送等,以下是详细的解释:

CPU访问主存储器的过程

1、地址传送:CPU将要访问的存储器地址传送到存储器总线上,以便存储器可以知道要读写的数据或指令的位置,这一过程通过地址总线实现。

2、存储器选择:存储器根据地址传送信号选择要读写的存储器单元,将其数据或指令传送到存储器总线上。

3、数据传送:CPU通过存储器总线从存储器中读取或写入数据或指令,完成对内存的访问操作。

4、控制信号传送:存储器总线还需要传输一些控制信号,如读写控制信号、时钟信号和同步信号等,以便存储器和CPU之间可以正确地协调和通信。

存储系统的层次结构

存储系统大致可分为主存储器、辅助存储器和高速缓冲存储器三层,高速缓冲存储器用来改善主存储器与CPU的速度匹配问题,辅助存储器则用于扩大存储空间。

TLB(快表)的访问过程

在存储系统中,若要从主存取得数据,必须先访问页表;为了实现对页表的快速访问,需要增设快表(TLB),TLB与page之间存在全相联映射、直接映射、组想联映射三种地址映射方式。

Page的访问过程

如果TLB的访问未命中,则需要访问主存中的页表,为了避免连续的页表本身占用大量主存空间,存储系统通常采用分级页表。

页面分配和置换

若page未命中,说明所需页面未调入主存,需要执行调页策略,现代存储系统通常采用固定分配局部置换、可变分配全局置换、可变分配局部置换三种策略。

Cache的访问过程

虚拟地址经过地址变换可以得到相应的物理地址;物理地址经过地址映射可以转化为cache地址,cache与主存之间存在全相联映射、直接映射、组相联映射三种地址映射方式。

主存储器的访问过程

如果cache访问未命中,则需要访问主存,而在访问主存的过程中,CPU的传输周期比存储器的存储周期小,为了提高访问速度,存储系统通常采用多体交叉存储技术。

CPU缓存的作用

为了提高CPU与主存之间的交互速度,大多数现代计算机系统在CPU和主存之间引入了缓存层(Cache),缓存分为L1、L2和L3三级,L1缓存位于CPU内部,速度非常快,但容量较小;L2缓存通常也是在CPU内部,容量较大,速度稍慢;L3缓存通常共享给多个CPU核心,容量最大,但速度比L1和L2缓存慢。

总线的作用

主存与CPU之间的连接通常涉及数据总线、地址总线和控制总线,数据总线是CPU和主存之间传输数据的通道,其宽度直接影响数据传输带宽和效率,地址总线用于确定CPU与主存之间要访问的位置,控制总线负责传递控制信号,用来协调CPU与内存之间的读写操作。

虚拟内存与MMU

程序并不能直接访问物理内存,程序都是通过虚拟地址VA(virtual address)用地址转换翻译成PA(physical address)才能获取到数据,MMU(存储器管理单元)负责将程序中的虚拟地址转换为主存的物理地址。

性能影响

主存与CPU之间的连接性能直接影响到计算机的整体性能,总线带宽、内存访问延迟和缓存管理策略等都会直接影响CPU与主存之间的通信效率。

FAQs

Q: CPU是如何通过地址总线找到主存中的具体位置的?

A: CPU通过地址总线发送一个地址信号,这个地址信号会被主存接收并解析,从而确定要访问的内存单元的位置,地址总线的宽度决定了计算机系统能够寻址的内存空间的大小,32位地址总线可以寻址2^32个内存单元,即4GB内存空间。

Q: 为什么需要使用多体交叉存储技术?

A: 多体交叉存储技术可以提高CPU访问主存的速度,由于CPU的传输周期比存储器的存储周期小,为了提高访问速度,存储系统通常采用多体交叉存储技术,这种技术允许CPU在一个存储周期内访问多个存储单元,从而提高数据传输效率。

小编有话说

了解CPU如何访问主存储器对于理解计算机系统的工作原理至关重要,通过掌握这些知识,我们可以更好地优化系统性能,提高计算效率,希望这篇文章能够帮助大家更好地理解CPU与主存之间的复杂关系。

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