计算机基础之内存

快来打我* 2023-01-13 04:22 116阅读 0赞

### 目录 ###

*  1.什么是内存
 *  2.内存的物理结构
 *  3.内存的使用
 *  4.数据在内存中为什么用二进制表示
 *  5.二进制的补码

# 1.什么是内存 #

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，内存又被称为主存，作用就是存放cpu中的运算数据，以及与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。

# 2.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，但是主要分为三种存储器：

*  **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，当机器关闭时，内存中的信息就会丢失。
 *  **只读存储器ROM**：ROM一般只能用于数据的读取，不能写入，但是当机器停电时，这些数据不会丢失。
 *  **高速缓冲存储器Cache**：它分为一级缓存（L1 Cache）、耳机缓存（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，会直接从告诉缓存中读取这些数据，如果Cache中没有，CPU会再去读内存中的数据。
 *  **一级缓存是离CPU最近**的，由于一级缓存的技术难度和制造成本最高，提高容量所带来的技术难度增加和成本增加非常大，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）**。二者分别用来存放数据以及对执行这些数据的指令进行即时解码，而且两者可以同时被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。  
    下面是我用CPU-Z查看的我的电脑的高速缓存信息：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM4MDQ4NzU2_size_16_color_FFFFFF_t_70]
 *  内存的IC元件上有地址信号、数据信号、电源信号、控制信号，通过引脚来传递这些信号，进行数据的读写。
 *  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，每次可以输入输出8bit的数据。
 *  地址信号的引脚的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 2^\{10\} 210个地址，每个地址可以存放1个字节的数据。
 *  内存读写数据都是以字节为单位的.
 *  控制信号主要有WR，表示写信号，当其值为1时，表示写。RD，表示读信号，当其值为1时，表示读。

# 3.内存的使用 #

*  对于c语言，是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，这也是因为上面提到的数据在内存中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，读取几个字节。
 *  例如：数组再内存中是内存中连续排列的形式，而链表在内存中就不是连续排列的形式。

# 4.数据在内存中为什么用二进制表示 #

*  IC的所有引脚只有两种电压：0v和有电压，这种特性决定了计算机的信息存储只能用0和1表示。
 *  为什么一个字节等于8位，这是因为8位能够涵盖所有的字符编码。
 *  我们所说的32位电脑以及64位的电脑，是指的计算机一次可以处理的数据位数，也就是数据线有32根和64根。

# 5.二进制的补码 #

例如对于39这个十进制数，表示成8位的二进制0010 0111，左移位一位，也就变成0100 1110，相当于扩大了2倍，按道理来说右移一位就相当于缩小为原来的1/2，就变成小数了，这怎么办？

通过上面这个小例子，我们也可以看出来直接使用原始的二进制码来表示数据，处理移位操作的时候会出现问题。下面介绍怎么解决这个问题：

*  首先二进制数中的负数，一般会把最高位当作符号位来使用。符号位是0表示正，1表示负。-1用二进制表示为1000 0001，+1的二进制数为0000 0001，最高位为符号位，二者相加的话，表示为1000 0010，这个答案显然是不正确的。
 *  其实因为计算机无法进行减法运算，比如1-1，就是通过1+（-1）来实现的，所以在表示负数的时候要用到二进制补码，补码就是用正数来表示的负数。
 *  补码的计算通过将除符号位外的各数位取反然后加1获得。例如：-1的二进制补码为：1000 0001 ->取反1111 1110->加1： 1111 1111。正数的补码等于原码。因此1+（-1）表示为0000 0001 + 1111 1111->0000 0000.
 *  所以负数的二进制表示就是先求其补码，**补码的求解过程**就是对其原码除符号位外其余各位取反，然后加1
 *  当计算结果为负的时候，计算结果的值也是以补码的形式出现的。**补码变原码**：符号位与最后一个1之间的所有数字按位取反.
 *  对于c中int型数据占4个字节32位，取值的范围 − 2 31 至 2 31 − 1 -2^\{31\}至 2^\{31\}-1 −231至231−1,也就是-2147483648 - 2147483647 ,为什么是这样的结果就可以解释通了，最高位为符号位，因此具体数据占31位，0由于其符号位为0，所以归到了正数，即正数从0000 … 0000到0111 … 1111，负数在计算机内的补码从1000 … 0000到1111 … 1111，由于负数存的是补码，转为原码就是0000 … 0000到1000 … 0001，此时我们可以看出右端为-1，左端怎么是0，其实左端对应这个补码1000 … 0000，表示的是 − 2 31 -2^\{31\} −231，由于上面提到了0000 … 0000在计算机内表示的才是0。**简单总结一句就是，32位数据，去掉符号位还剩31位，31位可以表示 2 31 − 1 2^\{31\}-1 231−1个数，0归到了正数的表示上，所以正数最大值比负数的最大值的绝对值少1**。

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