0分钟！搞懂计算机内存实现原理

一、存储技术介绍

在开始介绍计算机内存构造之前，我们先来了解一下内存，也就是我们常说的内存条，它到底是怎么样存储数据的，采用的是哪种存储技术。

存储技术：

目前主流的存储技术主要是静态存储器(SRAM)、动态存储器(DRAM)、ROM存储器

1.RAM存储器

静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)都属于随机访问存储器，静态RAM比动态RAM更快，但是静态RAM不仅价格更贵，而且在同等体积下内存的容量也更小，所以一般被用来做计算机CPU的L2 Cache缓存。而动态RAM(DRAM)就是我们常说的内存条底层存储器了，虽然没有静态RAM(SRAM)速度快，但是在同等体积下，动态RAM(DRAM)可以存储更多的数据，且更便宜。所以目前大部分的计算机内存都是采用动态RAM(DRAM)来实现的。

但是不管是静态RAM(SRAM)还是动态RAM(DRAM)，在断电情况下，它们存储的信息都会消失。

2.ROM存储器

只读存储器（Read-Only Memory，ROM）以非破坏性读出方式工作，只能读出无法写入信息。信息一旦写入后就固定下来，即使切断电源，信息也不会丢失，所以又称为固定存储器。ROM所存数据通常是装入整机前写入的，整机工作过程中只能读出，不像随机存储器能快速方便地改写存储内容。ROM所存数据稳定 ，断电后所存数据也不会改变，并且结构较简单，使用方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。

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ROM相对RAM而言，它们最大的区别是：ROM断电之后，仍然可以保存内部的信息，而RAM不行。ROM再经过多次迭代之后，为便于用户使用和大批量生产，进一步发展出可编程只读存储器（PROM）、可擦可编程序只读存储器（EPROM）和带电可擦可编程只读存储器（EEPROM）。其中带电可擦可编程只读存储器（EEPROM）就是我们所熟知的U盘了。

二、DRAM底层存储原理

在介绍完目前主流的存储技术之后，我们开始今天的重头戏计算机内存。上面介绍到，计算机内存也就主存，是采用DRAM存储器实现的，那DRAM存储器内部是怎么实现的呢？它是如何记录0和1的呢？下面我们就来正式介绍一下DRAM存储器底层实现。

上一章节我们了解到，计算机内部最底层的信息源其实就是电流，通过识别电压，得到0和1，然后将大量的0和1解码为对应的信息。那DRAM必然也是采用一种技术来存储0和1的电压状态，而且相对稳定，可以在一段时间内稳定的维持两种状态，并且这两种状态可以被写入和读取。那DRAM到底是采用什么技术的呢？答案就是电容。

电容（Capacitance）亦称作“电容量”，是指在给定电位差下自由电荷的储藏量，记为C，国际单位是法拉（F）。一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上，造成电荷的累积储存，储存的电荷量则称为电容。

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电容加压模型

电容初始状态是不带电荷，我们可以将这种状态定义为0，后面我们给电容充电，电容就会带上正负电荷，因为电容的特性，加压之后断电也可以维持一段时间的电荷在电容中，我们将这种状态标记为1。这样我们就可以采用电容来表示计算机中的0和1。

单单有电容想要实现内存的功能肯定是不够的，因为我们需要数据的写入和写出，这里就是需要一个电路结构来实现，我们先从写入说起。我们先来思考一下一个完整的写入过程需要哪些步骤。

写入步骤：

1.第一我们需要数据信号控制器，通过它来控制数据的写入和读取。

2.第二我们需要一个开关，用来控制写入过程的开始和结束。

3.第三就是存储信号的电容了。

接下来我们来看实现这个逻辑的电路图：

DRAM存储单元

图中紫色部分叫做Bit Line，它是上面提到的数据信号控制器，需要写入的数据信号，就是通过这个控件来写入电容的。绿色部分是用来控制电容的写入和读出的，红色部分就是电容。Bit Line负责数据的传递，绿色的Word Line和电晶体负责开关，红色电容负责存储信号，这里就是DRAM存储器的基础了。

DRAM和DDR4的关系介绍：

一般我们买的内存条都是叫做DDR4，好像和DRAM没关系，其实不是，DDR4只是DRAM的一个分支，DRAM有很多的分支，根据结构和技术指标主要分为3种DDR、GDDR、HBM。它们的传输速度（bandwidth）排序大致为HBM>GDDR>DDR。其中我们所熟知的DDR4就是属于DDR的分支。DRAM底层存储原理就介绍到这边，如果大家还想了解更多这方面的知识，可以阅读：关于存储器中DRAM的一些小科普（3） - 知乎

三、内存在计算机中的作用

上面我们介绍了内存（又做主存）底层存储结构，那在计算机层面，内存又处于一个什么样的角色？它负责哪些事情呢？如下图所示：

内存又叫主存，从名称可以看出，它是计算机主要存储位置。那有些童鞋就会问，那磁盘的存储空间不是更大嘛。磁盘的存储空间虽然很大，但是计算机的CPU没办法直接跟磁盘交互，它只跟内存打交道。CPU通过总线读写内存的数据，如果数据不在内存中，就会去磁盘中检索对应的数据到内存中，然后返回给CPU。所以内存在计算机中核心的作用就是用来做主缓存，配合CPU读写数据。

四、CPU多级缓存的应用

上一节我们说到内存在计算机中的作用，主要是用来缓存数据，提供给CPU使用。但是CPU运行的速度太快了，相对而言内存的读写速度就非常慢了。如果CPU每次都要等内存操作完成，才可以继续后续的操作，那效率会非常低下。所以为了解决这个问题，CPU内部缓存逐步发展到L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache的三级缓存结构，如下图所示：

三级缓存：

L1 Cache，分为数据缓存和指令缓存，逻辑核独占。

L2 Cache，物理核独占，逻辑核共享。

L3 Cache，所有物理核共享。

缓存级别越小，越靠近CPU， 同样也意味着速度越快，但是对应的容量越少。

存储器存储空间大小：内存>L3>L2>L1>寄存器。

存储器速度快慢排序：寄存器>L1>L2>L3>内存。

通过三级缓存结构，可以极大地提高CPU运行效率，但是从方法论上来说，任何一件事情，肯定有好处和坏处。三级缓存结构好处显而易见，可以提高CPU运行效率，不用被内存读写速度慢拖累。但它不好的地方是，这种三级缓存结构，在数据同步方面比较麻烦。特别是多核处理器，在修改缓存数据之后，需要及时同步给其它核的CPU，不然对方读取到的就是脏数据。这也就是我们Java开发常说的内存屏障问题，需要采用volatile关键词来获取最新的数据。有兴趣的童鞋可以阅读：CPU多级缓存架构 - 知乎 。

五、虚拟内存的引入

上面讲到了，CPU会读写数据到内存中，那CPU是直接跟内存的实际物理地址交互的嘛？那如果是每个程序都直接跟内存物理地址交互，那就会存在：A程序写入a数据到内存中，同时B程序修改b数据到内存中。因为a和b对应的同一个内存物理地址，所以导致b直接覆盖a的数据。那如果这样的话，整个计算机将会乱套。所以我们的操作系统给出了这个解决方案，就是虚拟内存。

我们先来了解两个概念，如下所示：

虚拟内存地址：我们程序所使用的内存地址叫做虚拟内存地址（Virtual Memory Address）。

物理内存地址：实际存在硬件里面的空间地址叫物理内存地址（Physical Memory Address）。

CPU其实不会直接跟内存物理地址交互，而是通过一个叫做内存管理单元（MMU），来将虚拟地址转为实际的物理地址，如下图所示：

有了这个MMU之后，就不会出现数据互相影响的情况了。操作系统会给每一个进程分配独立的一套虚拟地址，各个进程之间互不干涉。通过虚拟内存来管理实际的物理地址，每一个进程申请的物理地址，因为有虚拟内存的统一管理，所以不会出现互相影响的情况。

虚拟内存的实现形式目前有：内存分段、内存分页或者是二者组合使用。想要了解更多操作系统中虚拟内存知识点，可以阅读：一篇文带你搞懂，虚拟内存、内存分页、分段、段页式内存管理（超详细） - 知乎

六、复盘总结

到这边计算机内存相关知识就分享完毕了，文中我们从内存底层存储技术--》存储原理介绍--》内存在计算机中的作用--》CPU多级缓存的应用--》虚拟内存解决数据互相干涉问题。相信到这里，童靴们对计算机内存会有一个清晰的认识了。

本篇文章主要是起到一个大纲的作用，里面涉及到的知识点：电容（物理）、虚拟内存（操作系统）、多级缓存（CPU构造），都是非常深的知识。如果想要了解更多计算机组成原理的童靴，可以阅读下面2篇文章，看完后，大家对计算机内部组成原理，会有一个更加全面深入的了解。