在页式虚拟存储管理系统中，关于存储器层次结构的叙述错误的是 D。以下是对各选项的详细分析：

A. Cache - 主存层次的交换单位为主存块，主存 - 外存层次的交换单位为页

正确。

• Cache - 主存层次：以 “主存块”（或 Cache 行）为基本单位交换数据，块的大小通常为几十到几百字节。

• 主存 - 外存层次：在页式管理中，以 “页” 为单位交换数据，页的大小通常为 4KB~8KB（由操作系统定义）。

B. Cache - 主存层次替换算法由硬件实现，主存 - 外存层次由软件实现

正确。

• Cache - 主存替换：如 LRU、FIFO 等算法由硬件逻辑直接控制，以保证高速响应。

• 主存 - 外存页面置换：如 LRU、OPT、FIFO 等算法由操作系统（软件）实现，涉及页表更新和磁盘 I/O 操作。

C. Cache - 主存层次可采用回写法写策略，主存 - 外存层次通常采用回写法

正确。

• Cache - 主存写策略：

  • 回写法（Write-Back）：仅当 Cache 块被替换时才写回主存，减少主存写操作次数。

  • 写直达法（Write-Through）：数据修改时同时写入 Cache 和主存，两者保持一致。

• 主存 - 外存写策略：
  主存中的 “脏页”（被修改过的页）仅在被置换出主存时才写回外存，属于 “回写法”，避免频繁磁盘写入，提升效率。

D. Cache - 主存层次可采用直接映射，主存 - 外存层次通常采用直接映射

错误。

• Cache - 主存映射：
  直接映射（如每个主存块只能映射到固定 Cache 行）是常见方式之一，此外还有全相联、组相联等。

• 主存 - 外存映射：
  在页式管理中，逻辑页到物理页的映射通过页表实现，每个逻辑页可映射到任意空闲物理页（全相联映射），而非 “直接映射”。直接映射要求逻辑地址与物理地址有固定对应关系，这与页式管理的灵活映射机制不符。

结论

错误选项为 D。主存 - 外存层次通常不采用直接映射，而是通过页表实现全相联或类似的灵活映射方式。