从程序员视角浅入浅出了解计算机硬件——内存

从程序员视角浅入浅出了解计算机硬件——概述
从程序员视角浅入浅出了解计算机硬件——CPU
从程序员视角浅入浅出了解计算机硬件——内存
从程序员视角浅入浅出了解计算机硬件——硬盘

前言

内存(Memory)是计算机的重要部件，用于存储数据和指令的重要组件，是冯诺依曼计算机中是的存储器部分。作为与CPU进行沟通的桥梁，内存用于临时存储计CPU中的运算数据，以及与硬盘、网卡等外部组件数据，以便CPU能够快速访问和处理这些信息。计算机中所有程序的运行都在内存中进行，内存性能的强弱影响计算机整体发挥的水平。

在正文开始前，让我们先思考以下几个问题：

1. 3000MHz的内存频率，难道能媲美CPU的频率？
2. 内存的读写速度有多快，传输带宽多少？时间级别是多少？
3. Redis声称吞吐量可达到 10W/每秒，对内存来说有压力吗？

内存简介

存储器可以分为易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器指的是当电源关闭时会丢失其中存储的数据，典型的例子是RAM。非易失性存储器则是在断电后能够保持其中存储的数据，典型的例子包括硬盘驱动器、固态硬盘和闪存存储器，具体分类如图1所示。

图1 存储器类型

本文主要讨论的是RAM和CPU的三级缓存。RAM是指计算机中的主要内存，用于存储正在运行的程序和数据；Cache是位于CPU和内存之间的高速缓存，用于临时存储CPU需要频繁访问的数据，以提高数据访问速度。

内存的基本结构

内存通常由许多存储单元组成，每个存储单元都有一个唯一的行列地址，可以存储一个字节的数据。通过这种结构，计算机可以根据地址快速地读取或写入数据。内存跟我们平常用的表格很像，最小的存储单元为cell，相当于表格中的一个小格子，具有行列地址，可以存储1bit数据（0或1）。行列的所有格子组成的存储阵列成为bank，一块内存内部划分出多个bank, 访问的时候指定bank编号，就可以访问指定的bank。

图2 内存结构图

内存操作流程

CPU 对内存的操作通常包括地址计算、发起内存请求、内存访问、数据传输等步骤，这些步骤构成了 CPU 对内存进行读取和写入操作时的基本流程。 CPU 通过这些步骤与内存进行通信，实现了对数据的读取和存储。

• 地址计算：CPU 根据指令中提供的内存地址以及当前的地址计算方式（例如基址寻址、相对寻址等），计算将要读取或写入的内存地址。
• 发起内存请求：CPU 通过总线系统将内存地址发送到内存控制器，请求对应内存位置的数据读取或写入。
• 内存访问：内存控制器接收到CPU 的请求后，根据请求的地址进行相应的读取或写入操作。
• 数据传输：内存控制器从内存中读取需要的数据，或者将CPU 提供的数据写入内存中，并通过总线系统将数据传输回到 CPU。
  

图3 内存、缓存、CPU之间的关系

内存参数

图4为内存的的详情页，比起CPU的参数，内存条的参数少了很多，只有容量、频率、时序。
内存性能可以通过以下指标来衡量：

• 带宽（Bandwidth）：内存带宽指的是内存模块与CPU 或其他组件之间传输数据的速度。它通常以每秒传输的数据量（如GB/s）来衡量。
• 延迟（Latency）：内存延迟是指从发出读取请求到数据实际可用之间的时间间隔。较低的延迟意味着内存可以更快地响应请求。
• 时序（Timing）：内存