RAM

1.     前记

我们知道，不同的计算机结构对RAM 的使用方式是有区别的，典型的计算机结构有两个，冯诺依曼结构和哈佛结构，而两大阵营的领军人物就是传说中的Intel X86系列的8086和51单片机系列的8051。请先对号入座，不理解的跳过去，继续往下看。

2.     What？

长啥样？

内存条，RAM中的一种，常见的应该是DDR SDRAM。相信各位都触摸过它，冷冰，无情，当然，你上电后它就变了样，暖暖的，无怨无悔的为我们干活。

嘿！别唬我，这个俺知道，51单片机。没错，51单片机里面也内置了RAM ，叫片内RAM。

这个就是一般嵌入式板卡上的RAM， 为了加以区分，就叫片外RAM。

广义上讲，CPU内部的寄存器也算是RAM的一种。

在哪里？

PC主板图片

嵌入式板卡图片

找一找你系统上的内存吧，再看看CPU datasheet 上有没有提到内置RAM。

特点是啥？

RAM(Random Access Memory)，随机存储器。特点如下：

• 如其名，可随时读写
• 快，读写速度杠杠的，CPU最喜欢和它一起“玩”了
• 掉电后，数据全部丢失，因此，别指望RAM中的数据长期存储，那么，我想要长期存储公司所有员工的数据怎么办？用FLASH吧。

请参考：

RAM、ROM、Flash的分类、性能比较

RAM，ROM，FLASH存储器区别

与CPU的连接方式

RAM是用来存储CPU计算所需的数据的，那么它怎么与CPU进行通话呢。就是通过那个叫做大巴士（Bus）的东东了，所有数据都是坐着大巴士在CPU和RAM 之间飘过来，再飘过去的。

3.     Why？

RAM特点决定了它的应用，保存计算过程中的数据。什么？不理解，举个例子，我想知道1+2等于多少？条件，写个程序，这活儿让必须由CPU干，看看过程：

• CPU向RAM单元里“写入”两个操作数1和2（“写入”过程先飘过）
• CPU从RAM指定单元中“读取”操作数1，操作数2，和运算指令“+”（“读取”过程也先飘过吧）
• CPU解析读取的指令
• CPU执行计算，给出结果3

执行过程中的“1”“2”“+”就是存储在RAM中的（当然可以用更简单的方法实现），执行完后，RAM中数据就没有存在的意义了，可以去干2+3等其他活了。这么简单的活儿当然没有必要CPU来完成，但是，如果领导非要你去确认一下1+1计算4294967295次这个“哲学”问题的结果的话，总不能找个小本本自己蛮干吧。看着就头大，可工作吗，总不能有情绪啊。

写个程序，扔给计算机，这哥们可是位任劳任怨的好公仆，喝杯茶，你就可以认真负责的交差啦。

好了，现在我们知道CPU虽然是个好同志，可是总有忙不过来的时候，那就请个秘书（存储器）帮忙吧！我们的存储器有很多种，寄存器，RAM系列，ROM系列，flash系列，还有硬盘，USB，SD卡（这哥仨比较特殊，请先记住，他们可读可写，掉电后数据不会丢失，先归到FLASH系列吧）等等。

那么，为什么CPU会选择RAM呢？我们先聊聊其他的。

为什么不是寄存器呢？前面提到过寄存器也是一种RAM，而且读写速度比片外的RAM还快。但是，寄存器是内嵌在CPU内部的，CPU就那么大点儿，能够内嵌的寄存器就那么几个，有的还有特殊用途，不能随便玩，仅用这几个存储单元，对CPU进行的复杂运算就无能为力了。

为什么不是ROM呢？从其特点看，这玩意儿相当稳定，Read Only嘛，轻易改变不了上面的内容，这也是为什么很多嵌入式系统将代码烧到ROM的原因了，随你风吹雨打，我自岿然不动。但是，你只让CPU看，不让CPU摸，CPU怎么把中间结果暂存到里面呢？

为什么不是FLASH呢？FLASH是可读可写的，这点与RAM没区别。但是，FLASH的写比较麻烦，不能直接写，只能先把原来的内容擦干净。CPU也是嫌麻烦的，多出来的擦过程意味着，CPU干正常活的时间变少了。不爽。还有，FLASH的读写是以块为单位的（NOR FLASH 块大小64～128KB，NAND FLASH块大小，8～32KB），这可不行啊，我就想用一个字节，影响太大了。而且，FLASH写入擦除速度也不敢恭维（NOR FLASH ，5s；NAND FLASH，4ms）。

再看看RAM吧，速度，价格，好而不贵，这里需要掌声！

种类	速度	单位存储价格
寄存器
ROM
NAND FLASH（FLASH）
SDROM（RAM）
CPU

上面的数据是同一板卡上各芯片的数据，因为技术发展得太快，不同时期的比较没有参考意义。

CPU在找“秘书”的时候郁闷了，Why？Why？Why there is always a “但是”，肿么办？看看价格，再看看速度，其他的东西都不理想，好吧，就是你了，瞎看什么，说你呢内存。

CPU选择存储器，这过程有点儿像“木桶”现象，CPU速度往往很快，因此，制约系统速度的那个短板就是存储器了。而随着技术的发展，单位存储的成本也在不断下降，相信，总有一天，现有存储器的区别将不再这样明晰，继而，从这个世界消失。一切只是时间而已。

4.     HOW？

CPU搭讪RAM

我们知道CPU和RAM是一对好基友。那么，CPU总得主动去搭讪吧。

存储器内部被划分为一个个的小格格，并且从0开始编号，例如，内存的容量是64K，那么就有64*1024个小格格啦。每个小格格可以用来读写1、2、3等等的数据。CPU如何操作呢？还记得大巴士嘛。三步走：

• CPU通过地址总线，向存储器发送指令的地址信息
• CPU通过控制总线，向存储器发送控制信息（读OR写）
• CPU通过数据总线，从存储器读取数据或向存储器写入数据

我们来看看CPU从3号单元中读取数据的过程。（摘自：《汇编语言》）

• CPU通过地址总线将地址信息3发出，我们可以看到，地址信息3就乘着巴士飘向RAM了
• CPU通过控制总线发出读取命令，我们可以看到，“读取”信息乘着巴士也飘香RAM了
• 存取器将3号单元中的数据8通过数据总线传回CPU，我们可以看到，数据信息8乘着数据巴士飘向CPU了。

是CODE还是DATA？

我们知道了CPU如何从RAM获取数据。那么CPU从存储器上得到数据后，这个数据是指令还是数据呢，如何区分呢？

其实，在存储器内部，指令和数据没有任何区别，都是二进制信息。CPU在发送读取命令前，会先明确，收到的数据是指令还是数据（CPU的主观想法），换句话说，CPU在读取数据前，告诉自己，收到的这个数据将作为指令，收到数据后，就把该数据解析为指令，并存储在CPU的指令缓存器中；如果在读取数据前，告诉自己，收到的数据将作为数据，那么，收到数据后，就把该数据解析为数据，存储到指定的寄存器中。

例如，存储器中的二进制信息1000100111011000，计算机可以把它看做大小为89D8H的数据来处理，也可以将其看做指令mov ax,bx来执行。

1000100111011000→89D8H（数据）

1000100111011000→mov ax,bx（指令）

CPU是怎么工作的？

请参考《汇编语言》 第2.10节 CS和IP

画图解释1+2过程，注意应该使用SS，SP，PUSH，POP。

传奇的冯诺依曼结构计算机

冯·诺依曼结构，又称为普林斯顿体系结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。取指令和取操作数都在同一总线上，通过分时复用的方式进行。不理解？？？来，看图解释（Intel 8086 CPU）。

8086是16位结构的CPU，它的寻址能力是216=64KB（补充，其实8086的地址总线是20位的，也就是说最大的地址范围是220=1MB，但是由于16位CPU一次只能处理16位数据，所以才是64KB的寻址范围，可见，总有拖后腿的~）。

冯氏结构认为，读取指令和数据并没有区别，所以虽然所有的存取器在物理上是独立的，但CPU对他们进行统一编号，在它眼里只有一个逻辑存储器。为什么这么搞？简单啊，CPU只要记住各段地址映射到哪个物理存储器就好了，然后就是发重复的读写命令就OK！

上图中虚拟内存空间各段地址分配如下：

地址0000H~7FFFH的32KB空间：指向内存条（RAM）

地址8000H~9FFFH的8KB空间：指向显存

地址A000H~FFFFH的24KB空间：指向各个ROM的地址

其实，冯氏结构还有一个好处， CPU封装简单，通俗讲就是管脚少，因为和所有存取器连接的地址总线，数据总线，控制总线是共用的。试想，如果CPU与每个存储芯片都有一套独立的地址总线，数据总线，控制总线，那么要想访问所有存储器芯片，CPU引脚最多将是现在的N（N为存储器个数）倍。

目前使用冯氏结构的CPU和微控制器有很多。其中包括英特尔公司的8086及其他CPU，TI的MSP430处理器，ARM公司的ARM7，MIPS公司的MIPS处理器。

怎么又冒出来个哈佛结构计算机？

按冯氏结构的构想，读指令和读数据的操作是分时复用的，但，这里有个严重问题，就是“读指令”的时候，“读数据”就得等着，“读数据”的时候，“读指令”的操作也得先等着。在通用计算机（PC机）上没有问题，但是对于一些像数字信号处理这样的应用来说，这是致命的问题。怎么办？好办，指令和数据分开就可以喽。下面是哈佛结构。

如图，哈佛结构的计算机由CPU、程序存储器（ROM或FLASH）和数据存储器（RAM）组成，程序存储器和数据存储器采用不同的总线，从而提供了较大的存储器带宽，使数据的移动和交换更加方便，尤其提供了较高的数字信号处理性能。

目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多，除了Microchip公司的PIC系列芯片，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安谋公司的ARM9、ARM10和ARM11。

为什么很多嵌入式系统采用哈佛结构？除了指令的读取速度，还有一个重要因素要考虑的：稳定。下面是常见的场景：

我们的Windows电脑死机后：骂娘，重启，还没听说过有人去找微软理论吧~

我们的嵌入式系统死机后：停产，而且，这是会使人的…

为什么会死机呢？其实很多时候是我们的“不小心”，操作数据的时候不小心把指令改掉了，而如果程序和数据分开存储呢，系统会稳定很多。

参考：冯诺依曼、哈佛、RISC、CISC

1+2=？再算一遍

我们先这样假设，我们计算的程序代码（CODE）是“1+2=？”数据是（DATA）“1”“2”。（当然，这样的假设并不严谨，只是这样更便于理解）

典型冯氏结构，1+2执行过程：执行前，CODE+DATA就是一个文件，其实就是一个EXE文件，存储在硬盘里。当我们双击这个文件时，CPU将硬盘中的CODE+DATA拷贝到RAM中，并指向第一个指令，CPU开始执行。想想我们在Windows上打开Notepad.exe的过程吧，查看你的内存使用量是不是突然增加了一小块，因为Notepad.exe是要被拷贝到RAM中才可以执行的。

典型哈佛结构，1+2执行过程：上电前，CODE+DATA就是一个文件，通常叫做Firm，被烧写到ROM或FLASH中，上电后，CODE部分不动，CPU将ROM中的DATA部分拷贝到RAM中，此时，程序存储器（ROM或FLASH）中存储CODE，RAM中存储着DATA，此后，CPU分别读取CODE和DATA，在CPU内部去执行读取到的指令。

注意，我们这里说的是都是“典型”结构，因为现在2015年，嵌入式系统为了提高读取指令的速度，也会把所有的CODE+DATA拷贝的RAM中执行，毕竟，RAM的读取速度比ROM和FLASH都快嘛，这样的哈氏结构就有点儿像冯氏结构了。另一方面，Intel X86系列的CPU内部加入了指令和数据缓存，从效果看，已经可以同时读取指令和数据了，这样的冯氏结构，又有点儿像哈氏结构了。

因而目前大部分计算机体系都是CPU内部的哈氏结构+CPU外部的冯氏结构。这样各取所长，达到了一个平衡。

CODE在哪儿？

从上面的讨论中，我们可以知道，这个问题是要看计算机状态的。

	典型冯氏结构	典型哈氏结构
运行前	硬盘，想想咱们的应用程序是不是在某个磁盘下。确切的说，是EXE文件中的CODE部分。	ROM或FLASH中的CODE部分
运行时	RAM里，是由CPU从硬盘里拷贝过来的	ROM或FLASH中的CODE部分

DATA在哪儿？

与CODE一样，这个问题是要看计算机状态的。

	典型冯氏结构	典型哈氏结构
运行前	硬盘，想想咱们的应用程序是不是在某个磁盘下。确切的说，是EXE文件中的DATA部分。	ROM或FLASH中的DATA部分
运行时	RAM里，是由CPU从硬盘里拷贝过来的	ROM或FLASH中的DATA部分

RAM全干了什么？

RAM是一种存储器，它的作用当然是存储数据了。我们来看看RAM到底可以存储哪些数据。

• 存储计算的过程数据，我们可以这样理解，在C语言中声明的临时变量就在这里，如1+2=？中的1和2
• 存储常量数据，这些数据是不变的，比如软件的版本号信息
• 存储程序代码，前提是，程序运行时才会将程序代码拷贝到RAM中，程序关闭后被释放
• 存储内核代码（就是传说中的操作系统了），开机时，从ROM或FLASH中拷贝到RAM中，并长期驻留在RAM中，直到关机

RAM内部细分？

先看图：

由上面的讨论RAM的作用可以知道，内存可以按功能来细分，各个系统的叫法是有一点点儿区别的，请注意区分：

• 代码区：简单的嵌入式系统，这个区只有类似1+2=？这样的代码。然而，像Windows和Linux这种含有操作系统的计算机，这个区包含内核代码和应用程序代码的。
• 数据区：应用程序使用的数据，这个是可以再细分的
• 堆栈区：这个单独聊

请谨记，这里所说的细分，只是我们使用内存的一种方法，本质上它仍然只负责存储数据，这样区分，只是概念性的。

堆栈

说起这个，得用一火车的话…

没有火车怎么办？简单聊。

目前为止，我们已经知道堆栈是RAM的一部分，他们依然是用于存储数据的，而且是人为划分的，那么，来看看他们的不同点吧。

	栈（stack）	堆（heap）
谁分配的？	编译器和操作系统	编译器和操作系统
分配多大？	由你的程序决定，程序编译完后，大小就固定了	由你的程序决定。一支程序编译完后，CODE，DATA，STACK都是固定的，理论上其他的RAM都可以是Heap
分配的依据是什么？	MAP文件里记录了Stack的起始结束地址	你的程序里有没有malloc和new
有何用？	存储局部变量，参数	？
何时用？	函数调用时	申请未知大小的空间
怎么用？	代码中的声明的局部变量，在调用时都会入栈	主动申请：malloc和new 主动释放：free和delete
何时开始？	程序运行时	程序运行时AND程序主动申请
何时结束？	程序结束时	程序主动释放OR程序结束时

请参考：

What and where are the stack and heap? 里面干货很多，好好读读吧

什么是堆和栈，它们在哪儿？ 如果你实在懒得不行，看看这个，是上文的不完整翻译

一只程序有多大？为什么？

这里指的是，PC上的EXE文件，嵌入式的FIRM文件大小。前面我们讨论过，你的程序中CODE，DATA, STACT大小是固定的，而且是编译后就决定了，因此你的程序大小由你程序中使用的CODE，DATA, STACT大小决定。

一只程序可用内存多大？为什么？

这个还用问吗？当然是RAM有多大就可以用多大。这在嵌入式系统中没有问题，你有一片128MB的RAM，自然就拥有了128MB的使用权。但在PC上你不觉得奇怪吗？假设你的PC上安装的是Windows7 32-bit OS，插着一条4GB的内存条，那理论上，最大的RAM寻址空间是232=4GB，你安装了Office2010。

我们来这样操作一下，打开一个Word文档，我们可以肯定，Word可用的RAM是这个内存条的4GB空间。我们再打开一个Excel文档，Excel可用的RAM是多少？答案是：理论上也可以有4GB。

为什么？现在的操作系统都支持多进程（Windows和Linux都支持），每个应用程序就是一个进程，对于一个进程而言，进程独享整个内存。其实，操作系统搞了个虚拟内存的东东，我们说内存独享整个内存，是指独享整个虚拟内存（虚拟内存会保持与物理内存的映射关系）。为什么这么干？每个程序（进程）是可能占用很大内存的，为什么说可能呢，因为Heap的动态变化。而通常情况下，这支程序（进程）内存的占有量并不大，过百M的程序已经算是内存大户了。如果进程占用整个物理内存，别的进程就别玩了。

所以，现在的策略是每个进程独享虚拟内存，多个虚拟内存共享物理内存，这样，大家就可以一起快乐的玩耍啦！

请参考：

Linux内存点滴 用户进程内存空间

Linux 虚拟内存和物理内存的理解

程序（进程）内存分布 解析

Linux 内存映射函数 mmap（）函数详解

MAP文件作用

查查你的MAP文件就知道了，它是记录你的程序，在RAM上的地址信息的。

5.     后记

我们回到原点，回答问题。

WHAT：RAM是个读写速度很快的存储器；

WHY：从速度和成本考虑RAM最适合于与CPU协同工作；

HOW：不同的计算机结构对RAM的使用方式是不同的。

不同系统往往要考虑两件事：成本，速度。从上面的讨论中可以看出，每个体统在选择芯片以及结构的时候，都在权衡这两件事，只是侧重点不同而已。记住，这两个不是东西的东西很重要，它们最终决定了你的系统的样子。

6.     参考文章：

. 汇编语言 王爽 第二版

. RAM、ROM、Flash的分类、性能比较

. RAM，ROM，FLASH存储器区别

. 单片机下程序 RAM， ROM ，Flash

. ARM中的Flash和RAM

. What and where are the stack and heap?

. 程序运行时是在flash中还是在RAM

. 单片机程序程序存储空间（ROM）和数据存储空间(RAM)详解

. 什么是堆和栈，它们在哪儿？

. C语言内存分布图

. 32位系统最大只能支持4GB内存之由来

. 深入Linux启动流程

. 冯诺依曼、哈佛、RISC、CISC

. 普林斯顿结构 VS 哈佛结构

. 关于冯诺依曼结构、哈佛结构、增强型的哈佛结构

. 程序（进程）内存分布 解析

. Linux 内存映射函数 mmap（）函数详解

. Linux 虚拟内存和物理内存的理解

. Linux内存点滴 用户进程内存空间