内存的物理机制

计算机是进行数据处理的设备,而程序表示的就是处理顺序和数据结构。由于处理对象数据是存储在内存核磁盘上, 因此程序必须能够自由地使用内存和磁盘。

内存的物理机制很简单

内存实际上是一种名为内存IC的电子元件。虽然内存IC包括:DRAM、SRAM、ROM等的形式,但从外部来看,其基本机制都是一样的。内存IC中有电源、地址信号、数据信号、控制信号灯用于输入输出的大量引脚(IC的引脚),通过为指定地址(address),来进行数据的读写。

内存IC的引脚配置
  • VCC和GND是电源
  • A0~A9是地址信息的引脚
  • D0~D7是数据信号的引脚
  • RD和WR是控制信号的引脚

将电源连接到VCC和GND后,就可以为其他引脚传递0或1这样的信号,大多数情况下,+5V的直流电压表示1,0V表示0。

内存容量

那么,这个内存IC中能存储多少数据呢?

数据信号引脚有D0~D7共8个,表示一次可输入输出8位(=1字节)的数据。

此外,地址信号引脚(A0~A9)共10个,表示可以执行 0000000000~1111111111 共1024个地址。地址是用来表示数据的存储场所,因此它可以存储1024个1字节的数据。所以,该内存IC的容量就是1KB。

通常情况下,计算机使用的内存IC中会有更多的地址引号引脚,这样就能在一个内存IC中存储数十兆字节的数据。

写入数据

首先,假设要往该内存IC中写入1字节的数据。为了实现这个目的,

  • 可以给VCC接入+5V,给GND接入0V的电源,
  • 并使用A0 ~ A9的地址信号来指定数据的存储场所,
  • 然后再把数据的值输入给D0~D7的数据信号,
  • 并把WR(write)写入信号设定为1。

执行完毕这些操作,就可以在内存IC内写入数据了。

向0101010101地址写入11110000数据时

读取数据

读取数据时,只需要通过A0 ~ A9的地址信号指定数据的存储场所, 然后再将RD(read)信号设置为1即可。执行完这些操作,指定地址中存储的数据就会被输出到D0 ~ D7的数据信号引脚中。


读取0101010101地址的数据时

另外,像WR和RD这样可以让IC运行的信号称为控制信号。其中,当WR和RD同时为0时,写入和读出的操作都无法进行。

由此可见,内存IC的物理机制实质上是很简单的。总体而言,内存IC内部由大量可以存储8位数据的地方,通过地址指定这些场所,之后即可进行数据的读写。

内存的逻辑模型是楼房

在介绍程序时,大多会用类似于楼房的图形来表示内存。在这个楼房中,1层可以存储1个字节的数据,楼层号表示的就是地址。对于程序员来说,这种形象的解说有助于了解内存。

虽然内存的实体是内存IC,不过从程序员的角度来看,也可以把它假想成每层都存储着数据的楼房,并不需要过多地关注内存IC的电源和控制信号等。

1KB的内存模型

不过,程序员眼中的内存模型中,还包括着物理内存中不存在的概念,那就是数据类型。

编程语言中的数据类型表示存储的是何种类型的数据,从内存来看就是占用的内存大小(占用的楼层数)的意思。即使是物理上以1个字节为单位来逐一读写数据的内存,在程序中,通过指定其类型(变量的数据类型等),也能实现以特定字节数为单位来进行读写。

示例

/*往变量中写入数据的C语言程序*/

// 定义各种类型的变量
char a;
short b;
long c;

// 给变量赋值
a = 123;
b = 123;
c = 123;

a、b、c这3个变量表示的是内存的特定区域,通过使用变量,即便不指定物理地址,也可以在程序中对内存进行读写。这是因为,在程序运行时,windows等操作系统会自动决定变量的物理地址。

这3个变量的数据类型分别是,表示1字节长度的char,表示2字节长度的short,表示4字节长度的long。因此,虽然同样是数据123,存储时所占用的内存大小是不一样的。

假定采用将数据低位存储在内存低位地址的低字节序(little endian)方式。

变量的数据类型不同所占用的内存大小也不一样

仔细思考一下就会发现,根据程序中所指定的变量的数据类型的不同,读写的物理内存大小也会随着发生变化,这其实是非常方便的。

假如程序中只能逐个字节地对内存进行读写,那该多么不便啊。在处理超过1个字节的数据时,还必须要编写分割处理程序。此外,在不同的编程语言中,变量可以指定的数据类型的最大长度也不相同。C语言中,8字节(64位)的doule类型是最大的。

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