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内存|内存的概念、内存的作用、内存的物理结构及内存使用

宋鑫瑶 2023-06-15 原文

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Part1：什么是内存？

内存是硬件，是用于存放数据的硬件。

程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理。

内存是与CPU沟通的桥梁，计算机中所有程序的运行都要依靠内存，内存对计算机的影响非常大。

Part2：内存的作用

内存又被称为主存，用于存放CPU中的运算数据以及硬盘等外部存储设备交换的数据。

CPU一般会把需要运算的数据调到主存中进行运算，运算完后CPU将结果再传出来。

Part3：内存的物理结构

内存内部由各种集成(IC)电路组成。

它的种类很庞大，但主要分为三种存储器：

1. 随机存储器RAM

内存中最重要的一种，表示既可以从中读取数据，也可以写入数据。
当机器掉电时，数据就会丢失。

2. 只读存储器ROM

ROM一般只能用于数据的读取，不能写入。
是当机器掉电时，数据不会丢失。

3. 高速缓冲存储器Cache

Cache 分为一级缓存 L1 Cache、二级缓存 L2 Cache、三级缓存 L3 Cache
这些数据位于内存和CPU之间，是一个读写速度比内存更快的存储器。
当CPU向内存中写入数据时，这些数据也会被写入高速缓冲存储器中。
当CPU再次需要读取这些数据时，这些数据也会从高速缓存中读取这些数据。
如果 Cache 中没有，CPU会去读内存中的数据。

一级缓存拓展知识：

一级缓存L1 Cache是离CPU最近的，由于一级缓存的技术难度和制造成本最高，提升容量所带来的技术难度和成本增加非常大，所带来的性能提升却不明显，所以一级缓存L1 Cache的容量是最小的。
一般来说，一级缓存可以分为一级数据缓存（Data Cache，D-Cache）和一级指令缓存（Instruction Cache，I-Cache）
二者分别用来处理数据和对这些这些数据的指令进行及时解码，而且二者可以同时被CPU访问，减少了争用Cache所造成的冲突，提高了处理器效能。
目前大多数CPU的一级数据缓存和一级指令缓存具有相同的容量。

内存的IC元件上有地址信号、数据信号、电源信号以及控制信号，通过引脚来传递这些信号，进行数据的读写。

地址信号的引脚数量决定了内存可以存放的数据。
例如：有10个地址线，表示可以指定2^10个地址。

数据信号的引脚数量决定每次可以输入输出的数据的多少。
例如：有8个数据线，表示每一次可以输入输出8 bit数据。

控制信号主要有写信号WR和读信号RD。
当WR为1时表示写；当RD为1时表示读。

Part4：内存的使用

先想象一个场景：
有一栋名叫内存的楼，楼内有很多叫做内存单元的房间，它们都有自己的门牌号

计算机将内存划分为一个个小的内存单元，同时对其编号，这样就能有效管理内存。

在空间划分实践中，一个内存单元的大小为1字节

每个内存单元都有编号（内存编号），内存编号可以称为地址，在C语言中也称为指针。

内存编号 = 内存单元的地址 = 指针

Tips：一个字节是八个比特，相当于八个二进制位，两个十六进制位

如果要访问一个内存单元，需要依托 内存编号/内存单元的地址/指针，那么 内存编号/内存单元的地址/指针 是如何产生的呢？或者说到底是怎么样来命名的呢？

以32为机器为例，这个物理机器有32根地址线，如果电脑的地址线通电，就会有电信号（高电平或低电平）
这些电信号会转化为数字信号（0或1）
因此：[一根地址线] 产生 [一个电流信号(高/低电平)] 转化 [一个数字信号(0/1)]
32根地址线合在一起就会有32bit的二进制序列，这样话电信号转化为数字信号有2^32种二进制序列。
定义一个二进制序列为一个内存单元的编号/内存单元的地址/指针，因此这样下来总共有2^32个地址，就可以管理2^32个内存单元，即2^32个字节（4GB）的内存空间。

对于C语言时通过指针去使用内存的，通过使用指针可以对任意内存地址进行读写。

另外C语言中的数据类型所占的字节数都是整数，没有小数，这是因为数据在内存中是以字节为单位进行读取。

不同的数据类型具有不同的字节数，这也决定了读取该种数据类型时要读取几个字节。

例如：数组在内存中是连续排列的形式，而链表在内存中就不是连续排列的形式。

总结

本文简单介绍了内存的概念、作用、物理结构以及使用，内存远不止如此，后续文章会逐步深入讲解。
未完待续...

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