内存|内存的概念、内存的作用、内存的物理结构及内存使用

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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。

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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。

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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。

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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。

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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...