计算机组成原理(12) 第二章 - 主存储器的基本组成
1. 存储器芯片的基本原理
存储器芯片是计算机及各类电子设备中实现数据存储的核心硬件，其基本原理围绕 “如何稳定存储二进制信息（0 和 1）、如何精准定位存储单元、如何实现数据的读写操作” 三大核心问题展开。
一、核心目标：存储二进制信息
计算机中所有数据（文本、图像、指令等）均以二进制形式（0 和 1）存在，存储器芯片的核心功能是通过物理手段 “记录” 这些二进制状态，并在需要时 “读取” 或 “修改” 状态。
二进制状态的物理载体是存储单元—— 存储器芯片中最基本的构成单位，每个存储单元对应 1 位二进制信息（0 或 1）。
二、关键组成部分
一个存储器芯片通常由以下四个核心部分构成：
存储单元阵列
这是芯片的核心区域，是一个由行和列组成的巨大网格（像一个巨大的棋盘或Excel表格）。
每一个交叉点就是一个存储单元，它是最小的存储单位，用于保存一位（bit）数据，即 0 或 1。
整个阵列的规模决定了芯片的容量（例如，4Gb 芯片就有约 40 亿个存储单元）。
地址译码器
功能：“寻址”。CPU 或内存控制器要访问数据时，会发送一个地址信号。
地址译码器就像是一个“地图导航”，它根据这个地址，计算出具体要访问的是哪一行（Row）和哪一列（Column），并激活对应的线路。
读写控制电路
功能：“读数据”和“写数据”。
写操作：根据要写入的数据是 0 还是 1，通过位线向被选中的存储单元施加特定的电压或电流，改变其物理状态。
读操作：检测被选中的存储单元的物理状态（如通过测量电流、电压或电容），判断其代表的是 0 还是 1，并将这个微弱的信号放大，通过数据线输出。
控制逻辑
功能：“指挥协调”。它接收外部的控制信号（如片选、读使能、写使能），并协调地址译码器、读写电路等部件按顺序正确工作。
下图展示了这些核心部件是如何协同工作的：
2. 寻址
在计算机系统中，寻址（Addressing）是指通过特定规则或方式确定存储器中数据或指令存储位置的过程。它是 CPU 与存储器之间通信的核心机制，直接影响计算机的运行效率和灵活性。
一、寻址的基本概念
- 地址（Address）：存储器中每个存储单元的唯一标识，类似 “门牌号”，通常用二进制数表示。例如，32 位系统中地址范围为
0x00000000到0xFFFFFFFF，对应 2³² 个存储单元。 - 寻址空间：CPU 可访问的最大存储器范围，由地址总线宽度决定。公式为：
寻址空间大小 = 2^ 地址总线位数
例如，64 位地址总线支持的寻址空间为 2⁶⁰字节（约 18EB）。 - 核心目标：通过地址快速定位数据，实现 CPU 对存储器的读 / 写操作。
二、寻址方式的分类
根据地址生成方式的不同，寻址可分为物理寻址和逻辑寻址两大类，二者在计算机系统中分工协作。
1. 物理寻址（Physical Addressing）
直接访问存储器物理位置的寻址方式，对应硬件层面的实际存储单元。
- 特点：地址由硬件直接解析，与物理存储器一 一对应，无转换过程。
- 应用场景：
- 嵌入式系统、单片机等简单计算机系统；
- 操作系统内核对物理内存的管理（如内存分配、映射）。
2. 逻辑寻址（Logical Addressing）
程序中使用的虚拟地址，需通过地址转换机制映射到物理地址。
- 核心作用：
- 隔离不同程序的内存空间，提高安全性；
- 实现内存虚拟化（如虚拟内存），突破物理内存限制。
- 地址转换机制：
- 分段（Segmentation）：按程序逻辑划分内存段（如代码段、数据段），通过段表将逻辑地址转换为物理地址。
- 分页（Paging）：将内存划分为固定大小的页（如 4KB），通过页表完成逻辑地址到物理地址的映射，是现代操作系统的主流方式。
- 段页式：结合分段和分页的优势，先分段再分页，兼顾逻辑隔离和内存利用率。
三、存储器芯片中的寻址原理
在存储器芯片（如 RAM、ROM）内部，寻址通过行地址和列地址的组合实现，具体流程如下：
- 地址线传输：CPU 通过地址总线将地址信号发送到存储器芯片。
- 地址译码：
- 行地址译码器：将高位地址转换为行选通信号，选中对应存储行；
- 列地址译码器：将低位地址转换为列选通信号，选中对应存储列。
- 数据访问：行、列交叉定位的存储单元被选中，通过数据线完成数据的读 / 写。
示例：对于 1024×8 位的 RAM（1KB 容量），需 10 根地址线（2¹⁰=1024），其中 5 根用于行地址，5 根用于列地址，共同定位 1 个字节的存储单元。
四、常见的指令寻址方式（针对 CPU 指令）
在汇编语言和机器指令中，指令的操作数寻址方式决定了如何获取操作数的地址，常见类型包括：
| 寻址方式 | 原理 | 示例（x86 汇编） |
|---|---|---|
| 立即寻址 | 操作数直接包含在指令中，无需访问存储器。 | MOV AX, 0x1234（将 0x1234 存入 AX） |
| 直接寻址 | 指令中直接给出操作数的逻辑地址。 | MOV AX, [0x2000]（访问地址 0x2000 的数据） |
| 间接寻址 | 操作数地址存放在寄存器或存储器中，需先读取地址再访问数据。 | MOV AX, [BX]（通过 BX 寄存器中的地址访问数据） |
| 寄存器寻址 | 操作数存放在 CPU 寄存器中，速度最快。 | MOV AX, BX（将 BX 的值存入 AX） |
| 相对寻址 | 以指令当前地址为基准，通过偏移量计算目标地址（常用于跳转指令）。 | JMP +0x05（跳转到当前地址 + 5 的位置） |
| 变址寻址 | 基地址 + 偏移量的组合（如基址寄存器 + 变址寄存器），适合数组访问。 | MOV AX, [BX+SI]（BX 为基址，SI 为偏移） |
寻址是计算机系统中连接 CPU 与存储器的桥梁，其设计需在速度、灵活性和安全性之间找到平衡，是计算机体系结构的核心技术之一。
