内存实现原理浅析

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-10-31 05:23 208阅读 0赞

前言：在看操作系统、计算机组成原理乃至JVM虚拟机等等时，都会提到内存的寻址空间，还经常会说到，如32位的系统内存寻址空间最多为2^32即4GB，也就是最大能用的内存为4GB，不禁好奇为什么会这样，上面的逻辑应该是每个地址能存储8bit数据，这样32位空间，也就能表达2^32个地址也就能存4GB，但直接的想一下，存储数据不只是要存储数据，还要存储地址，这样才能根据地址找到数据，但这样光地址都32位了，哪来的空间存储数据呢？新手入门，参考下大概意思即可

参考：[https://www.jianshu.com/p/c7fc7293f239][https_www.jianshu.com_p_c7fc7293f239]（本文基本复制的这篇，做了点简单修改）

**目录**

第一章 硬件介绍

1.1 二极管

1.2 逻辑门

1.3 组合逻辑单元

1.3.1 译码器

1.3.2 多路复用器

1.4 存储单元

1.4.1 门控D锁存器

1.4.2 寄存器

第二章 内存介绍

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# 第一章 硬件介绍 #

## 1.1 二极管 ##

n-MOS管，栅极端（Gate）通电后，则电路联通，栅极断电则电路断开

![41a89ca1eafe89a2edb94b3d1293860a.png][]

p-MOS管反过来，栅极端（Gate）通电后，则电路断开，栅极断电则电路联通

![6f3072025fded45b1ee304c63ba8e64b.png][]

## 1.2 逻辑门 ##

利用上述二极管的特性，我们可以组合出一些电路

非门：输入0，输出1；输入1，输出0

![249ba6c732345c6ea08e89e3044af2c9.png][]

或门：输入0与0，输出0；输入0与1，输出1；输入1与0，输出1；输入1与1，输出1

![342f2da8e10944eb7047e9332f120505.png][]

与门：输入0与0，输出0；输入0与1，输出0；输入1与0，输出0；输入1与1，输出1

![bf4ea992229b98db29a0e92602dc211d.png][]

上述二极管的组合可以简化的用一些符号表示

![265f1f7f5ac3f7435abae7b994302973.png][]

## 1.3 组合逻辑单元 ##

上面我们使用二极管组成了逻辑门，这里我们用逻辑门组合成组合逻辑单元

### 1.3.1 译码器 ###

依据输入端的二进制，在输出端选中某一条电路

![22dec94eedeadc1328181c39ac4dc239.png][]

### 1.3.2 多路复用器 ###

根据控制信号，只选择输入端的某根电路，把这根线输出到输出端。若S1=0，S2=0，则A线路被选中，A的值即是输出值。

![43f91e3647f36bb2c3f69c9830673021.png][]

## 1.4 存储单元 ##

可存储信息的结构：可用于保存二进制

### 1.4.1 门控D锁存器 ###

多个逻辑门组成门控D锁存器，可以保存1bit的数据，WE=0时保存原值，WE=1时可以修改保存的值。

*  WE=0时（不可读写），S和R必为1，则电路稳定，out端可保持原来的值
 *  WE=1时（可读写），则根据D的值，out端变为对应的值。然后恢复WE=0则保存起来

![3ba4d0c08328b7bad031f2c83d43c232.png][]

### 1.4.2 寄存器 ###

一个门控D锁存器只能保存一个bit，则组合起来就能保存n个bit，这就是寄存器

![c1287e8d8def51ef07042f8deca7e8b3.png][]

# 第二章 内存介绍 #

先简单介绍内存中的两个概念：

*  寻址空间：即能保存多少个内存地址，我们通常意义上的4G内存，就表示计算机能保存2的32次方个地址能保存这么多地址，也就能找到这些地址上的二进制信息。
 *  寻址能力：每个地址里具体存多少个bit，由于历史原因，绝大部分计算机都是8bit的寻址能力。

下面是一个超简单的内存。这个内存是2的2次方的寻址空间，即只能查找4个地址。寻址能力是3个bit，即每个地址只能存3个bit。

![3db3279d31b5fecf95472ff3e4e1fffc.png][]

左边是我们上面说的译码器，通过译码器来决定输出哪条线路，这也是前言中的答案，不需要保存数据的地址，译码器可以根据我们输入的地址自动选择数据。

内存依靠门控D锁存器来保存数据，能保存1bit

每一列都是一个多路复用器，数据的输出根据寻址时译码器选中的某一个线路，每一列的多路复用器只能输出那个线路的对应的那个门控D锁存器保存的bit。则最终的三个bit都是由同一个线路对应的三个门控D锁存器的输出。

所以之所以32位的系统内存寻址空间最多为2^32即4GB，因为译码器能翻译地址最多也就2^32个了，再多地址就重了。

感想：这要是内存的实现方式，那内存包含的电子元件也太多了把，光是门控D锁存器4GB内存条也就2^32个了，也就是40亿个，再加上多路复用器译码器等等一堆电路，真想不到小小的内存条里会有这么多元器件。

[https_www.jianshu.com_p_c7fc7293f239]: https://www.jianshu.com/p/c7fc7293f239
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