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[系统运维]内存简要概述

首先我们从最基本的源头计算机程序说起,其是由代码和数据组成的,代码就是一些加工的方法,而数据则是原材料,程序运行的目的无非两个,即过程或结果。代码和数据都需要进行存储,那么他们是存储在哪里呢?

1、 首先我们先来了解两种计算机体系结构:
(1)冯诺依曼结构:数据和代码存储在一起
(2)哈佛结构:数据和代码放在一起
代码指程序中的函数,数据则是指程序中的全局变量、局部变量。
在单片机中,我们将代码烧录到Flash(NorfFash)中,然后程序在Flash中原地运行,程序中所涉及到的数据则必须放在RAM中,这就是哈佛结构。
在S5PV210中运行的linux系统中,这是所有的应用程序的代码和数据都在DRAM,故而这种结构为冯诺依曼结构。

2、我们接着来了解一下RAM,ROM
RAM :随机存取存储器,即我们常说的内存存储代码和数据供CPU随时调用,其中的数据断电后会丢失。RAM也可分为动态内存DRAM与静态内存SRAM,SRAM速度非常快,是目前读写最快的存储设备了,但是它也非常昂贵,所以只在要求很苛刻的地方使用,譬如CPU的一级缓冲,二级缓冲。DRAM保留数据的时间很短,速度也比SRAM慢,不过它还是比任何的ROM都要快,但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很 多,计算机内存就是DRAM的。

ROM:只读存储器,数据断电后不会丢失,而且相较于RAM而言比较稳定。ROM也有很多种,PROM是可编程的ROM,PROM和EPROM(可擦除可编程ROM)两者区别是,PROM是一次性的,也就是程序写入后,就无法修改了,这种是早期的产品,现在已经不可能使用了,而EPROM是通过紫外光的照射擦出原先的程序,是一种通用的存储器。另外一种EEPROM是通过电子擦除,价格很高,写入时间很长,写入速度很慢。

FLASH存储器又称闪存,它结合了ROM和RAM的长处,不仅具备电子可擦除可编程(EEPROM)的功能,且不会断电丢失数据同时可以快速读取数据 ,U盘和MP3里用的就是这种存储器。在过去的20年里,嵌入式系统一直使用ROM(EPROM)作为它们的存储设备,然而近年来 Flash全面代替了ROM(EPROM)在嵌入式系统中的地位,用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用(U盘)。
目前Flash主要有两种NOR Flash和NADN Flash。NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM(可以按字节进行读取)的读取是一样,用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码不用进初始化就可使用。NAND Flash没有采取内存的随机读取技术,它的读取是以一次读取一块的形式来进行的,通常是一次读取512个字节,采用这种技术的Flash比较廉价。用户不能直接运行NAND Flash上的代码,需要进行初始化方可,因此很多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flah以外,还附加一块小的NOR Flash来运行启动代码。
一般小容量的存储用NOR Flash,因为其读取速度快,多用来存储操作系统等重要信息,而大容量的用NAND FLASH。目前市面上的FLASH 主要来自Intel,AMD,Fujitsu和Toshiba,而生产NAND Flash的主要厂家有Samsung和Toshiba。

3、内存是如何管理的呢?
先从操作系统角度讲:操作系统掌握所有的硬件内存,因为内存很大,所以操作系统把内存分成1个1个的页面(其实就是一块,一般是4KB),然后以页面为单位来管理。页面内用更细小的方式来以字节为单位管理。操作系统内存管理的原理非常麻烦、非常复杂、非常不人性化。那么对我们这些使用操作系统的人来说,其实不需要了解这些细节。操作系统给我们提供了内存管理的一些接口,我们只需要用API即可管理内存。譬如在C语言中使用malloc free这些接口来管理内存。

没有操作系统时:在没有操作系统(其实就是裸机程序)中,程序需要直接操作内存,编程者需要自己计算内存的使用和安排。如果编程者不小心把内存用错了,错误结果需要自己承担。

再从语言角度来讲:不同的语言提供了不同的操作内存的接口。
譬如汇编:根本没有任何内存管理,内存管理全靠程序员自己,汇编中操作内存时直接使用内存地址(譬如0xd0020010),非常麻烦;
譬如C语言:C语言中编译器帮我们管理直接内存地址,我们都是通过编译器提供的变量名等来访问内存的,操作系统下如果需要大块内存,可以通过API(malloc free)来访问系统内存。裸机程序中需要大块的内存需要自己来定义数组等来解决。

譬如C++语言:C++语言对内存的使用进一步封装。我们可以用new来创建对象(其实就是为对象分配内存),然后使用完了用delete来删除对象(其实就是释放内存)。所以C++语言对内存的管理比C要高级一些,容易一些。但是C++中内存的管理还是靠程序员自己来做。如果程序员new了一个对象,但是用完了忘记delete就会造成这个对象占用的内存不能释放,这就是内存泄漏。
Java/C#等语言:这些语言不直接操作内存,而是通过虚拟机来操作内存。这样虚拟机作为我们程序员的代理,来帮我们处理内存的释放工作。如果我的程序申请了内存,使用完成后忘记释放,则虚拟机会帮我释放掉这些内存。听起来似乎C# java等语言比C/C++有优势,但是其实他这个虚拟机回收内存是需要付出一定代价的,所以说语言没有好坏,只有适应不适应。当我们程序对性能非常在乎的时候(譬如操作系统内核)就会用C/C++语言;当我们对开发程序的速度非常在乎的时候,就会用Java/C#等语言。

4、那内存到底是什么?
从硬件角度:内存实际上是电脑的一个配件(一般叫内存条)。根据不同的硬件实现原理还可以把内存分成SRAM和DRAM(DRAM又有好多代,譬如最早的SDRAM,后来的DDR1、DDR2·····、LPDDR)
从逻辑角度:内存是这样一种东西,它可以随机访问(随机访问的意思是只要给一个地址,就可以访问这个内存地址)、并且可以读写(当然了逻辑上也可以限制其为只读或者只写);内存在编程中天然是用来存放变量的(就是因为有了内存,所以C语言才能定义变量,C语言中的一个变量实际就对应内存中的一个单元)。
逻辑上来说,内存可以有无限大。但是现实中实际的内存大小是有限制的,譬如32位的系统(32位系统指的是32位数据线,但是一般地址线也是32位,这个地址线32位决定了内存地址只能有32位二进制,所以逻辑上的大小为2的32次方)内存限制就为4G。实际上32位的系统中可用的内存是小于等于4G的(譬如我32位CPU装32位windows,但实际电脑只有512M内存),因为有部分总线地址空间会被寄存器占用。

5、位、字节、字
内存单元的大小单位有4个:位(1bit) 字节(8bit) 半字(一般是16bit) 字(一般是32bit)在所有的计算机、所有的机器中(不管是32位系统还是16位系统还是以后的64位系统),位永远都是1bit,字节永远都是8bit。
建议大家对字、半字、双字这些概念不要详细区分,只要知道这些单位具体有多少位是依赖于平台的。实际工作中在每种平台上先去搞清楚这个平台的定义(字是多少位,半字永远是字的一半,双字永远是字的2倍大小)。

6、内存位宽
从硬件角度讲:硬件内存的实现本身是有宽度的,也就是说有些内存条就是8位的,而有些就是16位的。那么需要强调的是内存芯片之间是可以并联的,通过并联后即使8位的内存芯片也可以做出来16位或32位的硬件内存。

从逻辑角度讲:内存位宽在逻辑上是任意的,甚至逻辑上存在内存位宽是24位的内存(但是实际上这种硬件是买不到的,也没有实际意义)。从逻辑角度来讲不管内存位宽是多少,我就直接操作即可,对我的操作不构成影响。但是因为你的操作不是纯逻辑而是需要硬件去执行的,所以不能为所欲为,所以我们实际的很多操作都是受限于硬件的特性的。譬如24位的内存逻辑上和32位的内存没有任何区别,但实际硬件都是32位的,都要按照32位硬件的特性和限制来干活。

注:本资料大部分由《朱老师物联网大讲堂》笔记整理而来,也参考了部分他人的博客以及百度百科

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加:2021-08-02 11:10:24  更:2021-08-02 11:10:44 
 
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