RAM ที่อยู่ในคอมพิวเตอร์ของฉันสามารถเก็บหน่วยความจำได้กี่หน่วย

สักวันหนึ่งมันสนุกที่จะดูระดับพื้นผิวของประสบการณ์การใช้คอมพิวเตอร์และวันอื่น ๆ ก็สนุกที่ได้เจาะลึกเข้าไปในผลงานด้านใน วันนี้เรามาดูโครงสร้างของหน่วยความจำคอมพิวเตอร์และจำนวนสิ่งของที่คุณสามารถบรรจุลงใน RAM.

เซสชั่นคำถามและคำตอบในวันนี้มาถึงเราด้วยความอนุเคราะห์จาก SuperUser - แผนกย่อยของ Exchange Exchange ซึ่งเป็นกลุ่มที่ขับเคลื่อนด้วยชุมชนของเว็บไซต์ถาม - ตอบ.

คำถาม

เครื่องอ่าน SuperUser Johan Smohan กำลังต่อสู้กับประเภทโปรเซสเซอร์และขนาดหน่วยความจำทำงานร่วมกันเพื่อให้ได้จำนวนที่อยู่ทั้งหมด เขาเขียน:

เราสามารถรับที่อยู่หน่วยความจำได้จำนวนเท่าใดด้วยโปรเซสเซอร์ 32 บิตและ RAM 1GB และจำนวนหน่วยประมวลผล 64 บิต?

ฉันคิดว่ามันเป็นเช่นนี้:

RAM 1GB หารด้วย 32 bits 4 bits (?) เพื่อรับจำนวนที่อยู่หน่วยความจำ?

ฉันอ่านวิกิพีเดียว่าที่อยู่หน่วยความจำ 1 แห่งมีความกว้าง 32 บิตหรือ 4 octets (1 octet = 8 บิต) เมื่อเปรียบเทียบกับตัวประมวลผล 64 บิตโดยที่ 1 หน่วยความจำที่อยู่ แต่ไม่รู้ว่าฉันเข้าใจถูกต้องหรือไม่.

เหล่านี้เป็นคำถามประเภทที่สามารถทำให้ geek อยากรู้อยากเห็นในเวลากลางคืน จำนวนที่อยู่มีอยู่ภายใต้ระบบสมมุติของ Johan แต่ละระบบ?

คำตอบ

ผู้สนับสนุน SuperUser Gronostaj นำเสนอข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับวิธีการแบ่งและใช้ RAM:

คำตอบสั้น ๆ : จำนวนที่อยู่ที่มีให้เท่ากับจำนวนที่อยู่ที่น้อยกว่า:

• ขนาดหน่วยความจำในหน่วยไบต์
• จำนวนเต็มที่ไม่ได้ลงนามที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่สามารถบันทึกในคำเครื่องของ CPU

คำตอบยาวและคำอธิบายข้างต้น:

หน่วยความจำประกอบด้วยไบต์ (B) แต่ละไบต์ประกอบด้วย 8 บิต (b).

1 B = 8 b 

RAM 1 GB เป็นจริง 1 GiB (gibibyte ไม่ใช่กิกะไบต์) ความแตกต่างคือ:

1 GB = 10 ^ 9 B = 1 000 000 000 B 1 GiB = 2 ^ 30 B = 1 073 741 824 B 

หน่วยความจำทุกไบต์มีที่อยู่ของตัวเองไม่ว่าคำของเครื่อง CPU จะใหญ่เพียงใด เช่น. Intel 8086 CPU เป็น 16 บิตและเป็นหน่วยความจำที่มีหน่วยเป็นไบต์ดังนั้น CPU แบบ 32 บิตและ 64 บิตที่ทันสมัย นั่นเป็นสาเหตุของการ จำกัด ครั้งแรก - คุณไม่สามารถมีที่อยู่มากกว่าไบต์หน่วยความจำได้.

ที่อยู่หน่วยความจำเป็นจำนวนไบต์ที่ CPU ต้องข้ามจากจุดเริ่มต้นของหน่วยความจำเพื่อไปยังที่อยู่ที่ต้องการ.

• ในการเข้าถึงไบต์แรกนั้นจะต้องข้าม 0 ไบต์ดังนั้นที่อยู่แรกของไบต์คือ 0.
• ในการเข้าถึงไบต์ที่สองจะต้องข้าม 1 ไบต์ดังนั้นที่อยู่ของมันคือ 1.
• (และอื่น ๆ ... )
• หากต้องการเข้าถึงไบต์สุดท้าย CPU จะข้าม 1073741823 ไบต์ดังนั้นที่อยู่ของมันคือ 1073741823.

ตอนนี้คุณต้องรู้ว่าความหมาย 32- บิตจริง ดังที่ฉันได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้มันเป็นขนาดของเครื่องคำ.

Machine word คือจำนวนหน่วยความจำของ CPU ที่ใช้เพื่อเก็บหมายเลข (ใน RAM, แคชหรือรีจิสเตอร์ภายใน) CPU แบบ 32 บิตใช้ 32 บิต (4 ไบต์) เพื่อเก็บหมายเลข ที่อยู่หน่วยความจำก็เป็นตัวเลขเช่นกันดังนั้นบน CPU แบบ 32 บิตที่อยู่หน่วยความจำประกอบด้วย 32 บิต.

ตอนนี้คิดเกี่ยวกับสิ่งนี้: ถ้าคุณมีหนึ่งบิตคุณสามารถบันทึกสองค่าในนั้น: 0 หรือ 1 เพิ่มอีกหนึ่งบิตและคุณมีสี่ค่า: 0, 1, 2, 3 ในสามบิตคุณสามารถบันทึกแปดค่า : 0, 1, 2 … 6, 7 นี่คือระบบไบนารีจริง ๆ และมันทำงานเช่นนั้น:

ทศนิยมทศนิยม 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001 10 1010 11 1011 12 1100 13 1101 14 1110 15 1111 

มันทำงานเหมือนกับการเติมปกติ แต่ตัวเลขสูงสุดคือ 1 ไม่ใช่ 9 Decimal 0 คือ 0000, จากนั้นคุณเพิ่ม 1 และรับ 0001, เพิ่มอีกครั้งและคุณมี 0010. สิ่งที่เกิดขึ้นที่นี่เหมือนกับมีทศนิยม 09 และเพิ่มหนึ่ง: คุณเปลี่ยน 9 เป็น 0 และเพิ่มตัวเลขถัดไป.

จากตัวอย่างข้างต้นคุณจะเห็นว่ามีค่าสูงสุดเสมอคุณสามารถเก็บไว้ในจำนวนที่มีจำนวนบิตคงที่ - เพราะเมื่อบิตทั้งหมดเป็น 1 และคุณพยายามที่จะเพิ่มมูลค่าโดย 1 บิตทั้งหมดจะกลายเป็น 0 จึงทำลาย จำนวน. มันเรียกว่าจำนวนเต็มล้นและทำให้เกิดปัญหาที่ไม่พึงประสงค์มากมายทั้งสำหรับผู้ใช้และนักพัฒนา.

 11111111 = 255 + 1 ----------- 100000000 = 0 (9 บิตที่นี่ดังนั้น 1 ถูกตัดออก) 

• สำหรับ 1 บิตค่ายิ่งใหญ่ที่สุดคือ 1,
• 2 บิต - 3,
• 3 บิต - 7,
• 4 บิต - 15

จำนวนที่มากที่สุดที่เป็นไปได้คือ 2 ^ N-1 โดยที่ N คือจำนวนบิต อย่างที่ฉันได้กล่าวไปแล้วที่อยู่หน่วยความจำคือตัวเลขและยังมีค่าสูงสุด นั่นเป็นสาเหตุที่ขนาดของเครื่องคำ จำกัด จำนวนที่อยู่หน่วยความจำที่มีอยู่ด้วย - บางครั้ง CPU ของคุณไม่สามารถประมวลผลตัวเลขใหญ่พอที่จะรองรับหน่วยความจำเพิ่มเติม.

ดังนั้นใน 32 บิตคุณสามารถเก็บตัวเลขจาก 0 ถึง 2 ^ 32-1 และนั่นคือ 4 294 967 295 มันเป็นมากกว่าที่อยู่ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดใน RAM ขนาด 1 GB ดังนั้นในกรณีของ RAM จำนวนเฉพาะของคุณจะเป็นปัจจัย จำกัด.

ขีด จำกัด RAM สำหรับ CPU แบบ 32 บิตตามหลักวิชาคือ 4 GB (2 ^ 32) และสำหรับ 64- บิต CPU มันคือ 16 EB (exabytes, 1 EB = 2 ^ 30 GB) กล่าวอีกนัยหนึ่งซีพียู 64- บิตสามารถจัดการกับอินเทอร์เน็ตได้ทั้งหมด ... 200 ครั้ง;) (ประเมินโดย WolframAlpha).

อย่างไรก็ตามในระบบปฏิบัติการจริงซีพียู 32- บิตสามารถจัดการกับ RAM ได้ประมาณ 3 GiB นั่นเป็นเพราะสถาปัตยกรรมภายในของระบบปฏิบัติการ - ที่อยู่บางส่วนถูกสงวนไว้สำหรับวัตถุประสงค์อื่น คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งกีดขวาง 3 GB บนวิกิพีเดีย คุณสามารถเพิ่มขีด จำกัด นี้ด้วยการขยายที่อยู่ทางกายภาพ.

พูดเกี่ยวกับการจำที่อยู่มีบางสิ่งที่ฉันควรพูดถึง: หน่วยความจำเสมือน, การแบ่งส่วน และ เพจจิ้ง.

หน่วยความจำเสมือน

ดังที่ @Daniel R Hicks ชี้ให้เห็นในคำตอบอื่น OSes ใช้หน่วยความจำเสมือน ความหมายคือแอปพลิเคชันไม่ทำงานกับที่อยู่หน่วยความจำจริง แต่เป็นแอปที่ระบบปฏิบัติการให้.

เทคนิคนี้ช่วยให้ระบบปฏิบัติการย้ายข้อมูลบางส่วนจาก RAM ไปยัง Pagefile (Windows) หรือ Swap (* NIX) ที่เรียกว่า HDD ช้ากว่า RAM เล็กน้อย แต่ก็ไม่ใช่ปัญหาร้ายแรงสำหรับข้อมูลที่เข้าถึงได้ยากและอนุญาตให้ระบบปฏิบัติการให้แอปพลิเคชัน RAM มากกว่าที่คุณติดตั้งจริง.

เพจจิ้ง

สิ่งที่เรากำลังพูดถึงคือเรียกว่ารูปแบบการกำหนดแอดเดรสแบบแบน.

การเพจคือโครงร่างการกำหนดแอดเดรสทางเลือกที่อนุญาตให้กำหนดแอดเดรสหน่วยความจำเพิ่มเติมที่ปกติคุณสามารถทำได้ด้วยหนึ่งคำศัพท์เครื่องในโมเดลแฟล็ต.

ลองนึกภาพหนังสือที่เต็มไปด้วยคำ 4 ตัวอักษร สมมติว่ามี 1024 หมายเลขในแต่ละหน้า ในการพูดถึงตัวเลขคุณต้องรู้สองสิ่ง:

• จำนวนหน้าที่พิมพ์คำนั้น.
• คำใดในหน้านั้นคือคำที่คุณกำลังค้นหา.

นั่นคือวิธีที่ x86 ซีพียูสมัยใหม่จัดการกับหน่วยความจำ มันแบ่งออกเป็น 4 หน้า KiB (1024 คำต่อคำในเครื่อง) และหน้าเหล่านั้นมีตัวเลข (หน้าจริงๆแล้วอาจเป็น 4 MiB ใหญ่หรือ 2 MiB พร้อม PAE) เมื่อคุณต้องการระบุเซลล์หน่วยความจำคุณต้องมีหมายเลขหน้าและที่อยู่ในหน้านั้น โปรดทราบว่าแต่ละเซลล์หน่วยความจำมีการอ้างอิงโดยตัวเลขหนึ่งคู่เท่านั้นซึ่งจะไม่เกิดกรณีสำหรับการแบ่งกลุ่ม.

การแบ่งกลุ่ม

อันนี้ค่อนข้างคล้ายกับเพจ มันถูกใช้ใน Intel 8086 เพียงเพื่อตั้งชื่อตัวอย่างหนึ่ง กลุ่มที่อยู่ตอนนี้เรียกว่าเซ็กเมนต์หน่วยความจำไม่ใช่หน้า ความแตกต่างคือส่วนสามารถทับซ้อนกันและพวกเขาทับซ้อนกันมาก ตัวอย่างเช่นใน 8086 เซลล์หน่วยความจำส่วนใหญ่มีอยู่ใน 4096 เซกเมนต์ที่ต่างกัน.

ตัวอย่าง:

สมมติว่าเรามีหน่วยความจำ 8 ไบต์ทั้งหมดถือศูนย์ยกเว้นไบต์ที่ 4 ซึ่งเท่ากับ 255.

ภาพประกอบสำหรับโมเดลหน่วยความจำแบบแบน:

 _____ | 0 | | 0 | | 0 | | 255 | | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | ----- 

ภาพประกอบสำหรับหน่วยความจำเพจ กับเพจขนาด 4 ไบต์:

 หน้า 0 _____ | 0 | | 0 | | 0 | หน้า 1 | 255 | _____ ----- | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | ----- 

ภาพประกอบสำหรับหน่วยความจำแบบแบ่งส่วน ด้วยกลุ่ม 4 ไบต์เปลี่ยนจาก 1:

 SEG 0 _____ SEG 1 | 0 | _____ SEG 2 | 0 | | 0 | _____ SEG 3 | 0 | | 0 | | 0 | _____ SEG 4 | 255 | | 255 | | 255 | | 255 | _____ SEG 5 ----- | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | _____ SEG 6 ----- | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | _____ SEG 7 ----- | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | _____ ----- | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | ----- ----- ----- ----- 

อย่างที่คุณเห็นไบต์ที่ 4 สามารถระบุได้สี่วิธี: (ที่อยู่จาก 0)

• ส่วนที่ 0 ชดเชย 3
• ส่วนงานที่ 1 ชดเชย 2
• ส่วนที่ 2 ชดเชย 1
• ส่วนที่ 3 ชดเชย 0

มันเป็นเซลล์หน่วยความจำเดียวกันเสมอ.

ในเซ็กเมนต์การใช้งานจริงถูกเลื่อนมากกว่า 1 ไบต์ (สำหรับ 8086 เป็น 16 ไบต์).

สิ่งที่ไม่ดีเกี่ยวกับการแบ่งส่วนคือความซับซ้อน (แต่ฉันคิดว่าคุณรู้อยู่แล้ว) สิ่งที่ดีคือคุณสามารถใช้เทคนิคที่ชาญฉลาดเพื่อสร้างโปรแกรมแบบแยกส่วน.

ตัวอย่างเช่นคุณสามารถโหลดโมดูลบางส่วนในเซกเมนต์จากนั้นเสแสร้งเซกเมนต์มีขนาดเล็กกว่าจริง ๆ (เพียงเล็กพอที่จะเก็บโมดูล) จากนั้นเลือกเซ็กเมนต์แรกที่ไม่ทับซ้อนกับหลอกหลอกที่เล็กกว่าและโหลดถัดไป โมดูลและอื่น ๆ โดยทั่วไปสิ่งที่คุณจะได้รับด้วยวิธีนี้คือหน้าขนาดผันแปร.

มีสิ่งที่จะเพิ่มคำอธิบายหรือไม่ ปิดเสียงในความคิดเห็น ต้องการอ่านคำตอบเพิ่มเติมจากผู้ใช้ Stack Exchange คนอื่นหรือไม่ ลองอ่านหัวข้อสนทนาเต็มได้ที่นี่.