CPU 是如何与内存交互的?
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发布时间：4小时前
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时间：2024-12-15 04:43
计算机中的内存结构与CPU交互的机制是怎样的呢？这篇文章将整理出内存结构、CPU读写内存数据的过程、维护CPU缓存中数据一致性、虚拟内存的必要性以及它们的存在意义。
目前计算机主要由两大存储器SRAM和DRAM组成，其中DRAM作为主存储器，即我们常说的内存。CPU内部通常拥有L1、L2、L3三层高速缓存，均由SRAM实现。SRAM被称为“静态”存储器，其特点是只要通电状态保持，数据即可保持，一旦断电，数据就会丢失。
SRAM主要集成在CPU内部，每个CPU核心都配有一块L1高速缓存，分为指令缓存与数据缓存，分别存放CPU使用的指令和数据。L2缓存同样存在于每个CPU核心中，但不在核心内部，因此访问速度稍慢于L1缓存。L3缓存则是多个CPU核心共享的。
DRAM通过电容保存电荷来存储数据，电容会不断漏电，因此需要定时刷新充电，才能确保数据不丢失，这也是被称为“动态”存储器的原因。由于每个bit只需要一个晶体管存储，DRAM存储的数据量远超SRAM。
在理解CPU缓存结构后，我们探讨了缓存与主存之间的映射关系。当CPU获取数据时，首先访问缓存，若未获取到数据，则从主存加载数据至缓存中。缓存大小小于主存，因此需维护缓存与主存之间的映射。
直接映射是最简单的方式，类似于将数据放入map中存储，通过地址和缓存数量取模获取主存地址。组相联和全相联是其他两种映射方式，通过组索引查找对应数据行，进一步通过有效位、标记和数据进行检索。
读操作中，若缓存初始为空，将导致缓存缺失。当缺失发生，控制器从主存加载所需数据。写操作分为写直达与写回策略，通过这两种策略确保缓存与主存数据一致。
一致性问题通过MESI协议解决。该协议允许只有一个CPU核心负责写入数据，其他核心仅同步读取。写入后，核心会广播失效请求给所有核心，更新缓存状态。
虚拟内存机制中，程序不能直接访问物理内存。使用虚拟地址VA，通过内存管理单元MMU进行翻译，最终访问物理地址PA。页表作为虚拟内存与物理内存之间的映射表，通过查找页表，将虚拟地址翻译为物理地址。
多级页表优化了页表空间存储，减少内存占用。在程序运行时，虚拟地址空间被划分为连续的代码和数据空间，以及未分配和分配给栈的空间。使用多级页表，可以减少页表项资源和内存压力。
最后，虚拟内存的引入提高了小内存机器运行程序的能力，简化了内存分配过程，提供了内存保护机制，并为多进程环境提供了独立的内存空间。
在理解了内存结构与CPU交互机制后，我们进一步探讨了如何提高数据访问效率和内存管理的优化策略。通过缓存、虚拟内存等技术，现代计算机系统能够高效地处理数据，同时保障了系统稳定性和安全性。
参考文献：《深入理解计算机系统》、《深入浅出计算机组成原理》、《计算机组成与设计：硬件软件接口》等。
