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當中央處理器存取主存儲器時，硬件首先自動對存取地址的列號字段進行譯碼，以便將聯想存儲器該列的全部行號與存取主存儲器地址的行號字段進行比較：若有相同的，表明要存取的主存儲器單元已在高速存儲器中，稱為命中，硬件就將存取主存儲器的地址映射為高速存儲器的地址并執行存取操作；若都不相同，表明該單元不在高速存儲器中，稱為脫靶，硬件將執行存取主存儲器操作并自動將該單元所在的那一主存儲器單元組調入高速存儲器相同列中空著的存儲單元組中，同時將該組在主存儲器中的行號存入聯想存儲器對應位置的單元內。
 
當出現脫靶而高速存儲器對應列中沒有空的位置時，便淘汰該列中的某一組以騰出位置存放新調入的組，這稱為替換。確定替換的規則叫替換算法，常用的替換算法有:近少使用算法（LRU）、先進先出法（FIFO）和隨機法（RAND）等。替換邏輯電路就是執行這個功能的。另外，當執行寫主存儲器操作時，為保持主存儲器和高速存儲器內容的一致性，對命中和脫靶須分別處理。

存儲層次

 
主-輔存存儲層次 由于計算機主存容量相對于程序員所需要的容量來說總是太小，程序與數據從輔存調入主存是由程序員自己安排的，程序員必須花費很大精力和時間把大程序預先分成塊，確定好這些程序塊在輔存中的位置和裝入主存的地址，而且還要預先安排好程序運行時各塊如何和何時調入調出，因此存在存儲空間的分配問題。操作系統的形成和發展使得程序員盡可能擺脫主、輔存之間的地址定位，同時形成了支持這些功能的“輔助硬件”，通過軟件、硬件的結合，把主存和輔存統一成了一個整體，如圖所示。這時，由主存、輔存形成了一個存儲層次，即存儲系統。從整體看，其速度接近于主存的速度，其容量則接近于輔存的容量，而每位的平均價格也接近于廉價的慢速的輔存平均價格。這種系統不斷發展和完善，就逐步形成了現在廣泛使用的虛擬存儲系統。在系統中，應用程序員可用機器指令地址碼對整個程序統一編址，如同程序員具有對應這個地址碼寬度的全部虛存空間一樣。該空間可以比主存實際空間大得多，以致可以存得下整個程序。這種指令地址碼稱為虛地址（虛存地址、虛擬地址）或邏輯地址，其對應的存儲容量稱為虛存容量或虛存空間；而把實際主存的地址稱為物理地址、實（存）地址，其對應的存儲容量稱為主存容量、實存容量或實（主）存空間

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