半导体与存储器原理

"本资源是关于计算机组成原理的第四章——存储器的讲解，主要涵盖了半导体、存储器的基本概念、虚拟存储器的工作原理、存储器的扩展方法、错误检测与纠正、以及主存和缓存的编址策略等内容。" 在计算机科学中，存储器是计算机系统中的关键组成部分，它负责保存程序和数据。半导体材料，如硅和锗，是制造存储器的基础，其导电性介于导体和绝缘体之间，这使得它们能够被用于制造晶体管和场效应管等电子元件，这些元件是现代存储器的核心。 存储器分为多种类型，包括随机访问存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。其中，RAM是临时存储程序和数据的地方，而ROM则保存固定的系统信息，即使断电也不会丢失。虚拟存储器是一种高级技术，它通过将部分程序和数据调入主存执行，其余部分保留在辅助存储（如硬盘）上，实现了超过物理主存容量的逻辑内存。操作系统会自动管理和调度这部分内存，使得程序可以按需加载和执行。 扩展存储器容量的方法主要有位扩展法和字扩展法。位扩展法通过连接多个芯片来增加数据位数，以满足存储器字长要求；字扩展法则通过组合小容量的存储芯片来构建大容量的存储器，通常涉及地址线的复用。 错误检测和纠正机制在存储器中至关重要。例如，海明码是一种常用的纠错编码，通过添加校验位，可以在数据传输或存储过程中检测并纠正错误。若n位码中有一位错误，可能导致n个错误代码，因此需要k位校验来确保正确性。 单体多字系统和多体并行系统是两种不同的存储组织方式。单体多字系统中，所有存储单元共享同一地址线，但每个存储体可以独立读写数据，提高了数据访问效率。而多体并行系统允许多个请求源同时访问不同存储体，实现并行处理，提高系统性能。 主存和缓存的地址映射是优化存储系统的关键。主存地址通常比缓存地址位数多，因为主存容量大。地址被划分为固定大小的块，每个块对应缓存中的一个位置。这种分块策略简化了地址映射，同时有助于提高缓存的命中率。缓存容量越大，一般来说，命中率越高，因为能更多地存储常用数据，减少对较慢主存的访问。 地址映射过程将主存地址转换为缓存地址，这个过程可以通过直接映射、组关联和全关联等方式实现，每种方式有其独特的优势和应用场景，以适应不同系统的性能需求。