计算机原理（3）-内存工作原理

CPU和内存是计算机中两个最重要的组件。我已经知道CPU的工作原理。上一篇文章还介绍了用于内存的DRAM的存储原理。 CPU需要知道指令或数据的存储器地址，那么该地址与诸如存储器之类的硬件有何关系？现在让我们看看内存如何到达。

1.1 DRAM芯片结构

上图是DRAM芯片单元的。一个单元分为N个超级单元（可以称为单元），每个单元由M个DRAM单元组成。我们知道DRAM单元可以存储1位数据，因此描述了DRAM芯片可以存储N * M位数据。上图是一个具有16个超级单元和每个单元8位的存储模块。我们可以称其为16 * 8bit DRAM芯片。超级单元（2，1）可以矩阵形式访问，例如data = DRAM [2.1]。这样，每个超级单元都可以具有唯一的地址，这也是存储地址的基础。

每个超级单元的信息通过地址线和数据线传输，以查找和传输数据。如上图所示，有2条地址线和8条数据线连接到存储控制器（请注意，此处的存储控制器与上述北桥的存储控制器不同），并且存储控制器电路可以传输M位数据传输到DRAM芯片或从DRAM传输M位数据。为了读取或写入[i，j]超级单元的数据，存储控制器需要通过地址线传入行地址i和列地址j。在这里，我们将行地址称为RAS（行访问选通）请求，将列地址称为（列访问选通）请求。

但是我们发现地址行只有2个地址，也就是说，寻址空间是0-3。并确定一个超级单元至少需要4条地址线，那么如何实现？

解决此问题的方法是分时传输地址代码。看上图，我们可以发现DRAM芯片内部有一个行缓冲区。实际上，为了获得小区的数据，该数据被发送两次。第一次发送RAS时，会将一行数据放入行缓冲区。第二个时间段发送CAS，从行缓冲区获取数据，然后通过数据线发送出去。这些地址线和数据线通过芯片上的引脚（PIN）连接到控制电路。 DRAM电路被设计为二维矩阵，而不是线性阵列，以减少芯片上的引脚数。如上图所示，如果使用线性阵列，则需要4个地址引脚，而二维矩阵和RAS \ CAS请求方法仅需要2个地址引脚。但是这样做的缺点是增加了访问时间。

1.2个内存模块

内存模块是我们通常所说的记忆棒。购买内存时，我们经常听到我的内存使用哪种颗粒。如下左图所示，我们可以看到内存PCB上有内存颗粒。那就是我们的DRAM芯片。通过引脚与PCB连接。不同的制造商和不同类型的内存可以具有不同的大小，引脚，性能和包装，但是原理是相同的。我们将不在这里介绍。下图显示了1M * 4bit DRAM芯片的引脚图。

对于内存粒子，其容量和字长是有限的，因此在使用内存时，我们会将多个粒子组合到一个内存模块中，以扩展内存的字长和容量。当前存储器通常在存储器棒上具有多个存储器颗粒。例如，一个64M的内存可能由8个8M * 8bit SDRAM内存颗粒组成。

1.2.1个字长的数字扩展名

位扩展的方法非常简单，只需将相应的地址端，读/写控制端和多条RAM的芯片选择信号CS并行连接即可，每条RAM的I / O端可以并行输出。如上图所示，我们使用8个DRAM芯片（编号为0-7），每个超级单元存储8位数据。当获得加法（行= i，col = j）地址的数据时，请从每个DRAM芯片的单元[i，j]中取出一个字节的数据，以便传输到CPU的数据总数为8 * 8b = 64b数据我们通过8个8M * 8b内存颗粒扩展到8M * 64b内存模块。

1.2.2字存储容量扩展

RAM的字扩展是通过使用输出来控制每个RAM的芯片选择信号CS来实现的。当RAM进行字扩展时，必须增加地址线，并将增加的地址线连接到的输入作为高阶地址。同时，每个RAM的相应地址端，读/写控制端和相应的I / O端应并联。下图显示我们已经通过4个2M * 8b内存粒子将内存容量扩展到8M，字长为8位。

最后，内存通过主板上的内存插槽DIMM连接到内存总线。对于SDRAM和DDR等不同的存储器，其存储器作弊的定义是不同的。无需在此处进行详细说明。

2.内存寻址

在我们知道DRAM颗粒和存储模块如何扩展字长和容量之前，请先进行说明。内存可以是8位或64位，容量可以是1M或1G。那么如何编译内存？地址总线和计算机的字长之间是什么关系？

2.1个字长

由计算机同时处理的二进制数字组称为计算机的“字”，该二进制数字组中的位数为“字长”。 。通常，将处理8位数据的CPU称为8位CPU。一个32位CPU正在同时处理字长为32位的二进制数据。因此，这里的单词不是我们所理解的双字节（Word），而是与硬件相关的概念。一般来说，计算机数据线的位数和字长是相同的。通过这种方式从内存中获取数据后，所有数据只能传输到CPU一次。

2.2地址总线

我们已经介绍了地址总线的功能。地址总线的数量决定了他的最大寻址范围。目前，通用地址总线首先具有相同的字长。例如，一台32位计算机具有32条数据线和32条接地线，最大寻址范围为4G（0x00000000〜0xFFFFFFFF）。当然，也有例为64M，每个内存地址可以存储32位数据。按半字寻址：对于此256M存储器，其寻址范围为128M，每个存储器地址可存储16位数据。字节寻址：对于此256M内存，其寻址范围为256M，每个内存地址可存储8位数据。

对于当前的计算机，我们主要使用基于字节的寻址。因此，我们可以简单地将内存视为线性数组。数组中每个元素的大小为8位，我们称之为存储单元。这非常重要，因为稍后在内存中讨论的所有问题都以字节为单位解决。这就是为什么对于32位计算机，可以使用的最大内存容量为4GB。如果我们按字对地址进行编程，则可以使用的最大存储容量为16GB。

因此很容易想到一个问题，为什么我们要使用字节寻址？关于这个问题，我基本上没有在互联网上找到答案，甚至找不到。所以这里没有答案，为什么呢？知道麻烦的朋友告诉我。

另一个问题是，存储器寻址方法是否与DRAM芯片有关？我认为还是有一定关系的。例如，我的DRAM芯片是8M * 8bit，所以该芯片的最小存储单元是8bit，因此我们的存储器寻址不能用半个字节寻址。否则，如果您从内存中取出8位，则您不知道要将哪个4位传递给CPU。还有一种说法是，当前的DRAM芯片单元都是8位，因此它们使用字节寻址。另一方面，它也应与数据总线的位宽有关。

3.内存数据

如我们先前所知，存储器是按字节寻址的，每个地址的存储单元可以存储8位数据。我们也知道CPU通过存储器地址获得指令和数据，并将它们存储在存储单元中。现在有一个问题。我们的数据和指令不能完全是8位。如果小于8位，则没有问题，最多浪费了几位（也许字节寻址是为了节省存储空间）。但是，当数据或指令的长度大于8bit时？因为这种情况很容易发生，例如，如何将16位Int数据存储在内存中？

3. 1内存数据存储

实际上，一种简单的方法是使用多个存储单元来存储数据或指令。例如，Int16使用2个存储单元，而Int32使用4个存储单元。读取数据时，一次读取多个存储单元。因此，这里还有两个问题：

多个存储单元的存储顺序？如何确定要读取多少个存储单元？

3. 1.1大端和小端存储Little-Endian表示低字节位于存储器的低地址端，高字节位于存储器的高地址端。记忆。 Big-Endian表示高字节位于内存的低地址端，低字节位于内存的高地址端。

应注意，计算机使用的是大端存储还是小端存储由CPU确定。我们常用的X86系统CPU使用低位优先，ARM系统CPU也使用低位优先，但是某些CPU使用高位优先，例如PowerPC，Sun。确定CPU使用哪种方法很容易：

[cpp]

boolIsBigEndian（）{intvlaue = 0x1234; charlowAdd = *（char *）＆value; if（lowAdd == 0x12){returntrue;} returnfalse;}

由于不同的计算机具有不同的存储方法，因此不同计算机之间的交互可能需要大小转换。我们可以在Socket编程中看到这一点。我不会在这里介绍。对于我们的单个CPU，我们无需担心此转换问题。另外，我们当前的个人PC都是小端方法，因此我们以后默认使用此方法。

3. 1.2条CPU指令

我们之前已经多次提到指令的概念，并且我们也知道指令由0和1组成，汇编代码提高了机器代码的可读性。为什么在这里突然引入了CPU指令？主要是为了解释上述第二个问题，当我读取数据或指令时，如何知道需要读取多少个存储单元。

3. 1.2.1 CPU指令格式

首先，让我们看一下CPU指令的格式。我们知道CPU的质量主要是要告诉CPU该怎么做，因此CPU指令通常包含操作码（OP）和操作

操作码字段

地址代码字段

根据一条指令中操作数地址的数量，该指令可以称为几操作数指令或几地址指令。

操作代码

Ａ１

Ａ２

Ａ３

三地址指令：（A1)OP（A2)-> A3

操作代码

Ａ１

Ａ２

两个地址指令：（A1)OP（A2)-> A1

操作代码

Ａ１

地址命令：（AC）OP（A）-> AC

操作代码

零地址说明

A1是操作数的地址，也称为源操作数的地址； A2是操作数的地址，也称为目标操作数的地址； A3是存储结果的地址。同样，A1，A2和A3是存储器中的单元地址或算术单元中的通用寄存器的地址。因此，存在一个解决问题。指令寻址将在后面介绍。

CPU指令的设计非常复杂，因为在计算机中都保存了0和1，那么计算机如何区分指令中的操作数和操作码？如何确保指示不会重复？这不是我们讨论的重点。有兴趣的人可以阅读计算机体系结构书，其中将有介绍。从上图可以看出，CPU的指令长度是可变的。因此，CPU无法确定一条指令需要占用多少个存储单元，那么CPU如何确定一条指令是否已被读取？

3. 1.2.2命令获取

当前的CPU大多使用可变长度指令系统。键是指令的第一个字节。当CPU读取一条指令时，它不会立即读取整条指令，而是先读取该指令的第一个字节。指令分析此字节并知道它是几个字节的指令。然后依次读取以下字节。每次读取一个字节时，程序计数器PC就会增加1。读取全部指令后，PC指向下一条指令（等同于准备读取下一条指令）。

样本1：

[普通]

MOVAL，00机器代码为00000

机器码为16位，并在内存中占用2个字节：

[00000000]

[10110000]

例如，上面的MOV汇编指令将立即值00存储在AL寄存器中。 CPU获得的指令如下：

从程序计数器获取当前指令地址0x0001。存储器控制器从0x0001读取整个字节并将其发送到CPU。 PC + 1 = 0X000 2.CPU识别到[10110000]，这意味着：该操作为MOV AL，并且A2为长度为1个字节的立即数，因此整个指令的字长为2个字节。 CPU从地址0x0002获取指令的最后一个字节。 CPU将立即数00存储在AL寄存器中。

这里的问题应该在步骤3中。CPU如何知道它是MOV AL的立即操作？我们在看下面的例子。

样本2：

[普通]

MOVAL，[0000]机器代码为00

这也是MOV汇编指令，整个指令需要占用3个字节。

[00000000]

[00000000]

[10100000]

我们可以比较两个指令的第一个字节之间的差，发现这里的MOV AL是1010 0000，而不是Sample1中的1011 000。 CPU读取第一个字节后，它将识别该操作为MOV AL [D16]，这意味着它是寄存器间接寻址。 A3操作存储一个16位地址偏移量（为什么使用16位地址偏移量，下文将介绍），CPU将确定此指令的长度为3个字节。然后从存储器0x0002〜0x0003中读取指令的最后2个字节，对其进行寻址以找到实际的数据存储地址，然后通过CPU再次读取它，并完成操作。

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