因为cache的内容是部分主存内容的副本，应该与主存内容保存一致。而CPU对cache的写入更改了cache内容，如何与主存内容保存一致就有几种写操作工作方式可供选择，统称为写策略。

1、写回法（write--back）

当cpu对cache写命中时，只修改cache的内容不立即写入主存，只当此行被换出时才写回主存。这种策略使cache在cpu—主存之间不仅在读方向而去在写方向上都起到高速缓存作用。

2、写直达法（write--through）

又称全写法，写透。是当cache写命中时，cache与主存同时发生写修改。

3、标记法

数据进入cache后，有效位置1，当cpu对该数据修改时，数据只写入主存并将该有效位置0。要从cache中读取数据时要测试其有效位，若为1则直接从cache中取数，否则从主存中取数。

虚拟存储

虚拟存储器是一个主存-辅存两级存储层次。它对应用程序是完全透明的，使应用程序不必作任何修改就可以在系统上运行。

Cache主要目的是提高存储器速度。Cache存储系统对系统程序员以上均透明。

输入输出系统

在计算机中，I/O系统可以有5种不同的工作方式，分别是程序控制方式、程序中断方式、DMA工作方式、通道方式、I/O处理机。

1、程序控制方式

分为无条件查询和程序查询方式。

（1）无条件传送方式，I/O端口总是准备好接受主机的输出数据，或是总是准备好向主机输入数据，而CPU在需要时，随时直接利用I/O指令访问相应的I/O端口，实现与外设的数据交换。优点是软、硬件结构简单，缺点是对时序要求高，只适用于简单的I/O控制。

（2）程序查询方式

程序查询方式也称为程序轮询方式，该方式采用程序直接控制主机与外部设备之间输入/输出操作。CPU必须不停地循环测试I/O设备的状态端口，当发现设备处于准备好（Ready）状态时，CPU就可以与I/O设备进行数据存取操作。这种方式下的CPU与I/O设备是串行工作的。

2、中断方式

当I/O设备结束（完成、特殊或异常）时，就会向CPU发出中断请求信号，CPU收到信号就可以采取相应措施。当某个进程要启动某个设备时，CPU就向相应的设备控制器发出一条设备I/O启动指令，然后CPU又返回做原来的工作。CPU与I/O设备可以并行工作，与程序查询方式相比，大大提高了CPU的利用率。

3、DMA（直接内存存取）方式

DMA方式也称为直接主存存取方式，其思想是：允许主存储器和I/O设备之间通过"DMA控制器（DMAC）"直接进行批量数据交换，除了在数据传输开始和结束时，整个过程无须CPU的干预。

4、通道控制方式

在一定的硬件基础上利用软件手段实现对I/O的控制和传送，更多地免去了CPU的接入，使主机和外设并行工作程度更高。

5、I/O处理机

指专门负责输入/输出的处理机。可以有独立的存储器、运算部件和指令控制部件。

总线

总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线。

按照总线相对应cpu或其他芯片的位置可分为：

（1）内部总线

寄存器之间和算数逻辑部件ALU与控制部件。

（2）外部总线

CPU与内存和I/O设备接口之间。

按照总线功能划分：

（1）地址总线——传送地址信息

（2）数据总线——传送数据信息

（3）控制总线——传送控制信号和时序信号

按总线在微机中的位置，可以分为机内总线和机外总线两种。

按总线功能划分，可以分为局部总线、系统总线、通信总线三种。

按照总线中数据线的多少，可以分为并行总线和串行总线。

指令系统

指令系统是指计算机所能执行的全部指令的集合，它描述了计算机内全部的控制信息和"逻辑判断"能力。

1、复杂指令系统CISC

（1）指令数量多

（2）指令使用频率相差悬殊

（3）支持多种寻址方式

（4）变长的指令

（5）指令可对主存单元中的数据直接进行处理

（6）以微程序控制为主

2、精简指令系统（RISC）

（1）指令数量少

（2）指令的寻址方式少

（3）指令长度固定

（4）以硬布线逻辑控制为主

（5）单周期指令执行，采用流水线技术

（6）优化的编译器

（7）CPU中的通用寄存器数量多

存储器的层次结构

存储器的分类

1、按存储器所处的位置分类

2、按存储器的构成材料分类

3、按存储器的工作方式分类

4、按访问方式分类

5、按寻址方式分类

内存编址

存储器由一块块的空间（存储单元）组成，为了方便寻找到每一块空间，我们需要对每一个空间进行标识——内存编址。

存储器由若干个芯片构成。

存储器的大小。内存容量=每个芯片容量*芯片个数

每个芯片的容量=一个地址代表的容量*编址总数。

例题：如果主存容量为16M字节，且按字节编址，表示该主存地址至少需要多少位？

1字节=8bit

16M=1024KB*16=2¹⁰ * 2⁴ =2²⁴

因此需要24位。

例题：内存按字节编址，地址从A4000H到CBFFFH，共有多少字节。使用存储容量为32K*8bit的存储芯片构成该内存，至少需要多少片。

分析：

1、先求出地址总个数：CBFFFH-A4000H+1=28000H=2*16⁴+8*16³=163840=1024*160

2、求解芯片个数：芯片个数=160KB/32KB=5

因此共160字节，至少需要5片。

Cache

在CPU的所有操作中，访问内存是最频繁的操作。由于一般微机中的主存储器的工作速度比CPU低一个数量级，加上CPU的所有访问都要通过总线这个瓶颈。所以，缩短存储器的访问时间是提高计算机速度的关键。采用在CPU和内存之间加进高速缓冲存储器cache的办法较好地解决了这一问题。

简单来说cache是为了解决高速运行的CPU与主存储器之间速度不匹配的问题。

Cache的地址映像方法

1、直接映像

2、全相联映像

3、组相联映像

Cache的性能

CPU在访问内存时，首先判断所要访问的内容是否在Cache中，如果在，就称为"命中"，此时CPU直接从Cache中调用该内容；否则，就称为"不命中"，CPU只好去内存中调用所需的子程序或指令了。CPU不但可以直接从Cache中读出内容，也可以直接往其中写入内容。由于Cache的存取速率相当快，使得CPU的利用率大大提高，进而使整个系统的性能得以提升。

如果以Hc为代表对Cache的访问命中率，tc为Cache的存取时间，tm为主存的访问时间，则Cache的平均访问时间ta为：ta=Hc*tc+（1-Hc）*tm。

磁盘存储器

例题：假设某磁盘的磁道划分为11个物理块，每块存放1个逻辑记录。逻辑记录R0、R1、…、R9、R10存放在同一个磁道上，记录的存放顺序如下表所示：

如果磁盘的旋转周期为33ms，磁头当前处在R0的开始处。若系统使用单缓冲区顺序处理这些记录，每个记录处理时间为3ms，则处理这11个记录的最长时间为多少，若对信息存储进行优化分布后，处理11个记录的最少时间为多少？