Как организована иерархия компьютерной памяти и её принципы работы?

Иерархия компьютерной памяти включает в себя несколько уровней с различными характеристиками хранения и скорости доступа: skyeng.ru

1. Внутренняя память процессора (регистры, организованные в регистровый файл и кэш процессора). ru.wikipedia.org Характеризуется наиболее быстрым доступом (порядка 1 такта), но размером лишь в несколько сотен или, редко, тысяч байт. ru.wikipedia.org
2. Кэш процессора 1-го уровня (L1). ru.wikipedia.org Время доступа порядка нескольких тактов, размером в десятки килобайт. ru.wikipedia.org
3. Кэш процессора 2-го уровня (L2). ru.wikipedia.org Большее время доступа (от 2 до 10 раз медленнее L1), около полумегабайта или более. ru.wikipedia.org
4. Кэш процессора 3-го уровня (L3). ru.wikipedia.org Время доступа около сотни тактов, размером от нескольких мегабайт до сотен. ru.wikipedia.org
5. Кэш процессора 4-го уровня (L4). ru.wikipedia.org Время доступа несколько сотен тактов, размером одну-несколько сотен мегабайт. ru.wikipedia.org
6. ОЗУ системы. ru.wikipedia.org Время доступа от сотен до, возможно, тысячи тактов, но огромные размеры, от нескольких гигабайт до нескольких терабайт. ru.wikipedia.org
7. Дисковое хранилище. ru.wikipedia.org Многие миллионы тактов, если данные не были закэшированы или забуферизованы заранее, размеры до нескольких терабайт. ru.wikipedia.org

Принцип работы иерархии компьютерной памяти основан на том, что большинство алгоритмов обращаются в каждый промежуток времени к небольшому набору данных, который может быть помещён в более быструю, но дорогую и поэтому небольшую, память. ru.wikipedia.org Использование более быстрой памяти увеличивает производительность вычислительного комплекса. ru.wikipedia.org

Система управления памятью обеспечивает обмен информационными блоками между уровнями, причём обычно первое обращение к блоку информации вызывает его перемещение с низкого медленного уровня на более высокий. portal.tpu.ru Это позволяет при последующих обращениях к данному блоку осуществлять его выборку с более быстродействующего уровня памяти. portal.tpu.ru