系统架构师教程 - 计算机结构及组成

随着工艺水平的提高,集成电路的集成程度越来越高,主频也不断提高,处理器的功能部件的计算能力越来越强(现在已经能够一拍就完成32位定点乘法),处理器的性能瓶颈不再再是处理器核心的计算能力了,而是突出表现为访存的瓶颈上了,“如何喂饱饥饿的CPU”成了处理器设计的主要问题,因此设计一个高效的,能尽量喂得快点的存储子系统对于当今的处理器设计越来越重要。

由于辅存(如硬盘)的访问速度太慢,根本无法喂饱饥饿的CPU,于是出现了主存,随着处理器性能提高,主存的速度也不够,根据局部性原理,于是出现了Cache,最早Cache做在片外,后来处理器性能提高了,做在外面也不行,于是做到了片内,之后为了更优化Cache,又出现了L1Cache,L2 Cache,甚至L3 Cache。随着SMP以及CMP的出现,存储一致性问题愈加突出,成为影响程序执行是否正确的一个重要因素。

另一方面,随着多任务操作系统的引入,导致了逻辑地址(又叫虚拟地址)和物理地址的区分,为了建立虚拟地址VA和物理地址PA的映射关系,出现了页表机制。但是,直接在主存中查找页表进行虚实地址转化的代价太高了,于是又出现了旁路转换缓冲TLB(又称为页表缓冲,Translation lookaside buffer),还是根据局部性原理,通过将最常使用或者最近使用的页表直接保存在处理器核内,可以大大的提高虚实地址转换的速度,提高处理器的整体性能。

纵观真个处理器存储系统的发展,其基本目的都是喂饱CPU,设计的基本依据都是程序的时间局部性和空间局部性。

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