存储器层次结构解析：从RAM到虚拟存储器

"该资源是南航计算机组成原理课程的一部分，重点讲解了存储器层次结构，特别是RAM芯片，包括DRAM的实例分析。课程分为四讲，涵盖了存储器概述、主存与CPU的连接、高速缓冲存储器（cache）以及虚拟存储器的相关知识。" 在计算机系统中，存储器扮演着至关重要的角色，它分为多个层次以优化数据存取速度和效率。RAM（随机存取存储器）是一种常见的存储类型，尤其在主存中广泛应用。例如，16M位DRAM（4Mx4）是指具有16兆位（Mega-bit）存储容量的动态随机存取存储器，其中4M代表4百万个存储单元，每个单元可以存储4位数据。DRAM的工作原理是基于电容存储电荷，需要定期刷新以保持数据，因为电荷会逐渐泄漏。 存储器层次结构的构建是为了平衡速度、容量和成本。它包括从CPU内部的寄存器（最快但容量最小），到L1、L2、L3缓存（逐级增加容量，速度递减），再到主存（DRAM，容量大但速度慢），最后是硬盘等慢速但高容量的存储设备。这种层次结构的设计基于程序访问的局部性原则，即程序倾向于在短时间内重复访问同一块数据。 主存与CPU的连接涉及地址和数据总线，以及存储器地址寄存器（MAR）和存储器数据寄存器（MDR）。在读写操作中，CPU通过地址总线发送存储器地址到MAR，然后从指定地址读取或写入数据。刷新计数器用于管理DRAM的刷新操作，其位数取决于DRAM的行数量，以确保所有行在规定时间内得到刷新。刷新计数值不送列译码器是因为刷新操作只涉及行地址，不需要改变列地址，这有助于提高效率并减少错误。 课程中还提到了其他存储器类型，如顺序存取存储器（SAM）、直接存取存储器（DAM）和相联存储器（AM），这些都有特定的应用场景。半导体存储器，如双极型存储器，是基于半导体材料构建的，具有快速存取但功耗高的特点。 虚拟存储器则是操作系统用来扩展主存容量的技术，它创建了一个比实际物理内存更大的虚拟地址空间。通过页面映射和存储保护机制，虚拟存储器使得程序可以运行在超过实际物理内存大小的地址空间上，同时保证了不同进程间的数据隔离。 这个课件深入介绍了存储器系统的关键概念，从基本的存储单元到复杂的存储层次架构，为理解计算机系统的内存管理提供了坚实的基础。