4.1 存储系统的层次结构
一、基本存储体系
冯诺依曼体系工作原理有两大部分：存储程序 和 程序控制；
为了实现存储程序，必须要有主存；
为了实现程序控制，必须要有CPU；
由CPU和主存构成基本结构的冯诺依曼体系，在程序执行过程中，会执行下列操作：
- 输入设备将程序与数据写入主存;
- CPU取指令;
- CPU执行指令期间读数据;
- CPU写回运算结果;
- 输出设备输出结果;
在只基于CPU和主存的系统中，会遇到很多问题，如：
- 主存速度不够快
- 主存容量不够大
- 价格原因
二、问题原因
（1）主存速度慢的原因
- CPU速度的增长远超主存速度的增长，导致两者的差异越来越大；
- CPU在指令执行期间要多次访问存储器；
由于主存和CPU速度的不同步，慢速的主存的大大降低CPU的性能；
（2）主存容量不足的原因
- 存在制约主存容量的技术因素，如：CPU支持地址线的数量等。
- 应用对于主存的需求在不断扩大；
- 价格原因；
三、存储体系的层次化结构
层次化结构很好的解决了之前的矛盾；
Cache存储器，电脑中为高速缓冲存储器，规模较小，但速度很快；
基于层次化机构，CPU访问到的存储系统具有Cache的速度，辅存的容量和价格；
随着技术的发展，存储体系也在不断演化，Cache被分为两级；
第一级被集成在CPU内部，同时L1 Cache还被分为了指令Cache（D-Cache）和数据Cache(I-Cache);
L2 Cache早期实在主板上或与CPU集成在同一电路板上。但随着工艺提高，L2 Cache被集成在了CPU内核中，不分D-Cache和I-Cache。
四、存储体系层次化结构的理论基础
局部性原理（两个部分）：
时间局部性：被访问过的信息很大概率在将来会被再次访问（循环结构）；
空间局部性：被访问过信息的周围的信息很大概率会被再次访问（顺序结构）；
基于程序局部性原理，将内存中的一整个数据块调入Cache，则数据块中的指令很大概率会被需要访问，这样CPU同内存之间的交互就变为了CPU同Cache之间交互，大大提高了CPU的性能；
