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  • 内存物理结构和工作原理

    千次阅读 2014-04-22 17:06:42
    内存物理结构和工作原理 作者:xiaofeng 来源:PConline 发布时间:2012-11-01 点击数:1163  内存也叫主存,是PC系统存放数据与指令的半导体存储器单元,也叫主存储器(Main Memory),通常分为只读...

    内存的物理结构和工作原理

    作者:xiaofeng 来源:PConline 发布时间:2012-11-01 点击数:1163

      内存也叫主存,是PC系统存放数据与指令的半导体存储器单元,也叫主存储器(Main Memory),通常分为只读存储器(ROM-Read Only Memory)、随机存储器(RAM-Red Access Memory)和高速缓存存储器(Cache)。我们平常所指的内存条其实就是RAM,其主要的作用是存放各种输入、输出数据和中间计算结果,以及与外部存储器交换信息时做缓冲之用。

    结构

    1、PCB板

      内存条的PCB板多数都是绿色的。如今的电路板设计都很精密,所以都采用了多层设计,例如4层或6层等,所以PCB板实际上是分层的,其内部也有金属的布线。理论上6层PCB板比4层PCB板的电气性能要好,性能也较稳定,所以名牌内存多采用6层PCB板制造。因为PCB板制造严密,所以从肉眼上较难分辩PCB板是4层或6层,只能借助一些印在PCB板上的符号或标识来断定。

    2、金手指

      黄色的接触点是内存与主板内存槽接触的部分,数据就是靠它们来传输的,通常称为金手指。金手指是铜质导线,使用时间长就可能有氧化的现象,会影响内存的正常工作,易发生无法开机的故障,所以可以隔一年左右时间用橡皮擦清理一下金手指上的氧化物。 

    3、内存芯片

      内存的芯片就是内存的灵魂所在,内存的性能、速度、容量都是由内存芯片组成的。

    4、内存颗粒空位

           在内存条上你可能常看到这样的空位,这是因为采用的封装模式预留了一片内存芯片为其他采用这种封装模式的内存条使用。这块内存条就是使用9片装PCB,预留ECC校验模块位置。

    5、电容

      PCB板上必不可少的电子元件就是电容和电阻了,这是为了提高电气性能的需要。电容采用贴片式电容,因为内存条的体积较小,不可能使用直立式电容,但这种贴片式电容性能一点不差,它为提高内存条的稳定性起了很大作用。

    6、电阻

      电阻也是采用贴片式设计,一般好的内存条电阻的分布规划也很整齐合理。

    7、内存固定卡缺口

      内存插到主板上后,主板上的内存插槽会有两个夹子牢固的扣住内存,这个缺口便是用于固定内存用的。

    8、内存脚缺口

           内存的脚上的缺口一是用来防止内存插反的(只有一侧有),二是用来区分不同的内存,以前的SDRAM内存条是有两个缺口的,而DDR则只有一个缺口,不能混插。

    9、SPD

      SPD是一个八脚的小芯片,它实际上是一个EEPROM可擦写存贮器,这的容量有256字节,可以写入一点信息,这信息中就可以包括内存的标准工作状态、速度、响应时间等,以协调计算机系统更好的工作。从PC100时代开始,PC100规准中就规定符合PC100标准的内存条必须安装SPD,而且主板也可以从SPD中读取到内存的信息,并按SPD的规定来使内存获得最佳的工作环境。

    内存工作原理

    1、内存寻址

           首先,内存从CPU获得查找某个数据的指令,然后再找出存取资料的位置时(这个动作称为“寻址”),它先定出横坐标(也就是“列地址”)再定出纵坐标(也就是“行地址”),这就好像在地图上画个十字标记一样,非常准确地定出这个地方。对于电脑系统而言,找出这个地方时还必须确定是否位置正确,因此电脑还必须判读该地址的信号,横坐标有横坐标的信号(也就是RAS信号,Row Address Strobe)纵坐标有纵坐标的信号(也就是CAS信号,Column Address Strobe),最后再进行读或写的动作。

    2、内存传输

      为了储存资料,或者是从内存内部读取资料,CPU都会为这些读取或写入的资料编上地址(也就是我们所说的十字寻址方式),这个时候,CPU会通过地址总线(Address Bus)将地址送到内存,然后数据总线(Data Bus)就会把对应的正确数据送往微处理器,传回去给CPU使用。

    3、存取时间

      存取时间,指的是CPU读或写内存内资料的过程时间,也称为总线循环(bus cycle)。以读取为例,从CPU发出指令给内存时,便会要求内存取用特定地址的特定资料,内存响应CPU后便会将CPU所需要的资料送给CPU,一直到CPU收到数据为止,便成为一个读取的流程。因此,这整个过程简单地说便是CPU给出读取指令,内存回复指令,并丢出资料给CPU的过程。我们常说的6ns(纳秒,秒-9)就是指上述的过程所花费的时间,而ns便是计算运算过程的时间单位。我们平时习惯用存取时间的倒数来表示速度,比如6ns的内存实际频率为1/6ns=166MHz(如果是DDR就标DDR333,DDR2就标DDR2 667)。

    4、内存延迟

      内存的延迟时间(也就是所谓的潜伏期,从FSB到DRAM)等于下列时间的综合:FSB同主板芯片组之间的延迟时间(±1个时钟周期),芯片组同DRAM之间的延迟时间(±1个时钟周期),RAS到CAS延迟时间:RAS(2-3个时钟周期,用于决定正确的行地址),CAS延迟时间 (2-3时钟周期,用于决定正确的列地址),另外还需要1个时钟周期来传送数据,数据从DRAM输出缓存通过芯片组到CPU的延迟时间(±2个时钟周期)。一般的说明内存延迟涉及四个参数CAS(Column Address Strobe 行地址控制器)延迟,RAS(Row Address Strobe列地址控制器)-to-CAS延迟,RAS Precharge(RAS预冲电压)延迟,Act-to-Precharge(相对于时钟下沿的数据读取时间)延迟。其中CAS延迟比较重要,它反映了内存从接受指令到完成传输结果的过程中的延迟。大家平时见到的数据3—3—3—6中,第一参数就是CAS延迟(CL=3)。当然,延迟越小速度越快。

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  • 虚拟内存物理内存的联系与区别

    万次阅读 多人点赞 2018-08-30 11:55:36
    操作系统有虚拟内存物理内存的概念。在很久以前,还没有虚拟内存概念的时候,程序寻址用的都是物理地址。程序能寻址的范围是有限的,这取决于CPU的地址线条数。比如在32位平台下,寻址的范围是2^32也就是4G。并且...

    操作系统有虚拟内存与物理内存的概念。在很久以前,还没有虚拟内存概念的时候,程序寻址用的都是物理地址。程序能寻址的范围是有限的,这取决于CPU的地址线条数。比如在32位平台下,寻址的范围是2^32也就是4G。并且这是固定的,如果没有虚拟内存,且每次开启一个进程都给4G的物理内存,就可能会出现很多问题:

    • 因为我的物理内存时有限的,当有多个进程要执行的时候,都要给4G内存,很显然你内存小一点,这很快就分配完了,于是没有得到分配资源的进程就只能等待。当一个进程执行完了以后,再将等待的进程装入内存。这种频繁的装入内存的操作是很没效率的
    • 由于指令都是直接访问物理内存的,那么我这个进程就可以修改其他进程的数据,甚至会修改内核地址空间的数据,这是我们不想看到的
    • 因为内存时随机分配的,所以程序运行的地址也是不正确的。

    于是针对上面会出现的各种问题,虚拟内存就出来了。

    在之前一篇文章中进程分配资源介绍过一个进程运行时都会得到4G的虚拟内存。这个虚拟内存你可以认为,每个进程都认为自己拥有4G的空间,这只是每个进程认为的,但是实际上,在虚拟内存对应的物理内存上,可能只对应的一点点的物理内存,实际用了多少内存,就会对应多少物理内存。

    进程得到的这4G虚拟内存是一个连续的地址空间(这也只是进程认为),而实际上,它通常是被分隔成多个物理内存碎片,还有一部分存储在外部磁盘存储器上,在需要时进行数据交换。

    进程开始要访问一个地址,它可能会经历下面的过程

    1. 每次我要访问地址空间上的某一个地址,都需要把地址翻译为实际物理内存地址
    2. 所有进程共享这整一块物理内存,每个进程只把自己目前需要的虚拟地址空间映射到物理内存上
    3. 进程需要知道哪些地址空间上的数据在物理内存上,哪些不在(可能这部分存储在磁盘上),还有在物理内存上的哪里,这就需要通过页表来记录
    4. 页表的每一个表项分两部分,第一部分记录此页是否在物理内存上,第二部分记录物理内存页的地址(如果在的话)
    5. 当进程访问某个虚拟地址的时候,就会先去看页表,如果发现对应的数据不在物理内存上,就会发生缺页异常
    6. 缺页异常的处理过程,操作系统立即阻塞该进程,并将硬盘里对应的页换入内存,然后使该进程就绪,如果内存已经满了,没有空地方了,那就找一个页覆盖,至于具体覆盖的哪个页,就需要看操作系统的页面置换算法是怎么设计的了。

     

    关于虚拟内存与物理内存的联系,下面这张图可以帮助我们巩固。

    页表的工作原理如下图

    1. 我们的cpu想访问虚拟地址所在的虚拟页(VP3),根据页表,找出页表中第三条的值.判断有效位。 如果有效位为1,DRMA缓存命中,根据物理页号,找到物理页当中的内容,返回
    2. 若有效位为0,参数缺页异常,调用内核缺页异常处理程序。内核通过页面置换算法选择一个页面作为被覆盖的页面,将该页的内容刷新到磁盘空间当中。然后把VP3映射的磁盘文件缓存到该物理页上面。然后页表中第三条,有效位变成1,第二部分存储上了可以对应物理内存页的地址的内容。
    3. 缺页异常处理完毕后,返回中断前的指令,重新执行,此时缓存命中,执行1。
    4. 将找到的内容映射到告诉缓存当中,CPU从告诉缓存中获取该值,结束。

     

    再来总结一下虚拟内存是怎么工作的

    当每个进程创建的时候,内核会为进程分配4G的虚拟内存,当进程还没有开始运行时,这只是一个内存布局。实际上并不立即就把虚拟内存对应位置的程序数据和代码(比如.text .data段)拷贝到物理内存中,只是建立好虚拟内存和磁盘文件之间的映射就好(叫做存储器映射)。这个时候数据和代码还是在磁盘上的。当运行到对应的程序时,进程去寻找页表,发现页表中地址没有存放在物理内存上,而是在磁盘上,于是发生缺页异常,于是将磁盘上的数据拷贝到物理内存中。

    另外在进程运行过程中,要通过malloc来动态分配内存时,也只是分配了虚拟内存,即为这块虚拟内存对应的页表项做相应设置,当进程真正访问到此数据时,才引发缺页异常。

    可以认为虚拟空间都被映射到了磁盘空间中(事实上也是按需要映射到磁盘空间上,通过mmap,mmap是用来建立虚拟空间和磁盘空间的映射关系的)

     

    利用虚拟内存机制的优点 

    1. 既然每个进程的内存空间都是一致而且固定的(32位平台下都是4G),所以链接器在链接可执行文件时,可以设定内存地址,而不用去管这些数据最终实际内存地址,这交给内核来完成映射关系
    2. 当不同的进程使用同一段代码时,比如库文件的代码,在物理内存中可以只存储一份这样的代码,不同进程只要将自己的虚拟内存映射过去就好了,这样可以节省物理内存
    3. 在程序需要分配连续空间的时候,只需要在虚拟内存分配连续空间,而不需要物理内存时连续的,实际上,往往物理内存都是断断续续的内存碎片。这样就可以有效地利用我们的物理内存

     

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  • 内存条的逻辑BANK和RANK(物理BANK)概念 在内存上有一个参数:2R X16,1R X16, 1R X8….. 这里的R就是Rank 既物理BANK,X16,X8,是指芯片位宽 何谓内存BANK: 内存的BANK其实分为两部分,逻辑BANK和物理BANK。 ...

    内存条的逻辑BANK和RANK(物理BANK)概念

    在内存上有一个参数:2R X16,1R X16, 1R X8…..

    这里的R就是Rank 既物理BANK,X16,X8,是指芯片位宽

    何谓内存BANK:

    内存的BANK其实分为两部分,逻辑BANK和物理BANK。

     

        1.先来讲讲逻辑BANK。芯片的内部,内存的数据是以位(bit)为单位写入一张大的矩阵中,每个单元格我们称为CELL,只要指定一个行(Row),再指定一个列(Column),就可以准确地定位到某个CELL,这就是内存芯片寻址的基本原理。这样的一个阵列我们就叫它内存的逻辑BANK(Logical BANK)。

       由于工艺上的原因,这个阵列不可能做得太大,所以一般内存颗粒中都是将内存容量分成几个阵列来制造,也就是说在内存颗粒中存在多个逻辑BANK,随着芯片容量的不断增加,逻辑BANK数量也在不断增加,目前从32MB到1GB的芯片基本都是4个,只有早期的16Mbit和32Mbit的芯片采用的还是2个逻辑BANK的设计,譬如三星的两种16MB芯片:K4S161622D (512K x 16Bit x 2 BANK)和K4S160822DT(1M x 8Bit x 2 BANK)。芯片组本身设计时在一个时钟周期内只允许对一个逻辑BANK进行操作,而不是芯片组对内存芯片内所有逻辑BANK同时操作。逻辑BANK的地址线是通用的,只要再有一个逻辑BANK编号加以区别就可以了(BANK0到BANK3)。一个逻辑BANK有8M个单元格(CELL),一些厂商(比如现代/三星)就把每个逻辑BANK的单元格数称为数据深度(Data Depth),每个单元格由8bit组成,那么一个逻辑BANK的总容量就是64Mbit(8M×8bit),4个逻辑BANK就是256Mbit,因此这颗芯片的总容量就是256Mbit(32MB)。 
      一般内存芯片厂家在芯片上是标明容量的,我们可以芯片上的标识知道,这个芯片有几个逻辑BANK,每个逻辑bank的位宽是多少,每个逻辑BANK内有多少单元格(CELL),比如64MB和128MB内存条常用的64Mbit的芯片就有如下三种结构形式: 

    ①16 M x 4 (4 M x 4 x 4 banks) [16M X 4] 
    ②8 M x 8 (2 M x 8 x 4 banks) [8M X 8] 
    ③4 M x 16 (1 M x 16 x 4 banks) [4M X 16] 
      表示方法是:每个逻辑BANK的单元格数×逻辑BANK数量×每个单元格的位数(芯片的位宽)。芯片逻辑BANK位宽目前的工艺水平只能最多做到16位,因此大家看到几乎所有的芯片逻辑BANK位宽只可能4/8/16三者之一。

    2. RANK(物理Bank)  目前以SDRAM系统为例,CPU与内存之间(就是CPU到DIMM槽)的接口位宽是64bit,也就意味着CPU一次会向内存发送或从内存读取64bit的数据,那么这一个64bit的数据集合就是一个内存条BANK,很多厂家的产品说明里称之为物理BANK(Physical BANK),目前绝大多数的芯片组都只能支持一根内存包含两个物理BANK,要准确知道内存条实际物理BANK数量,我们只要将单个芯片的逻辑BANK数量和位宽以及内存条上芯片个数搞清楚。各个芯片位宽之和为64就是单物理BANK,如果是128就是双物理BANK。  

     586以上电脑的数据总线宽度都是64bit,即每次读取内存为64bit,SDRAM内存条的设计带宽也是64bit,内存条的带宽为条上各个内存芯片的带宽之和,基本条件为带宽之和应等于64bit或其倍数。假如出现了各个芯片位宽之和等于128。则分成两个64位,当读取一个64位部分时,另一个64位部分就不能读取,通常很多厂家就分别将这两部分放在内存的两面上。这就造成了许多人的错觉:双面是两个BANK的,单面是一个BANK的。实际根本不能这样认识,比如大度256MB内存,尽管两面16个芯片,但是由于内存芯片的位宽是4位(32Mbit×4),所以必须要有4×16=64才能达到系统所要求的位宽。这时由于芯片大小的限制,不可能将16颗芯片都放在一面上,所以只能设计成双面。对于64Mbit芯片 (4M*16) 来说,芯片带宽16bit,8颗芯片带宽=16*8=128bit(即两个BANK),4颗芯片带宽=16*4=64bit(即一个BANK)。两个物理BANK的情况只有出现在位宽超出了64位的情况下(即位宽出现了富余),由于芯片组任一时刻只能处理一个64位,所以才分成两个物理BANK。

    3、 芯片位宽   每个内存芯片有自己的位宽,即每个传输周期能提供的数据量。理论上,完全可以做出一个位宽为64bit的芯片来满足P-Ban k的需要,但这对技术的要求很高,在成本和实用性方面也都处于劣势。所以芯片的位宽一般都较小。台式机市场所用的SDRAM芯片 位宽最高也就是16bit,常见的则是8bit。这样,为了组成P-Bank所需的位宽,就需要多颗芯片并联工作。对于16bi t芯片,需要4颗(4×16bit=64bit)。对于8bit芯片,则就需要8颗了。

    以上就是芯片位宽、芯片数量与P-Bank的关系。P-Bank其实就是一组内存芯片的集合,这个集合的容量不限,但这个集合的 总位宽必须与CPU数据位宽相符。随着计算机应用的发展,一个系统只有一个P-Bank已经不能满足容量的需要。所以,芯片组开 始可以支持多个P-Bank,一次选择一个P-Bank工作,这就有了芯片组支持多少(物理)Bank的说法。而在Intel的 定义中,则称P-Bank为行(Row),比如845G芯片组支持4个行,也就是说它支持4个P-Bank。另外,在一些文档中 ,也把P-Bank称为Rank(列)。

     

     

     

    3、与芯片位宽相关的DIMM设计  已经知道P-Bank的位宽是固 定的,也就是说当芯片位宽确定下来后,一个P-Bank中芯片的个数也就自然确定了,而前文讲过P-Bank对芯片集合的位宽有 要求,对芯片集合的容量则没有任何限制。高位宽的芯片可以让DIMM的设计简单一些(因为所用的芯片少),但在芯片容量相同时, 这种DIMM的容量就肯定比不上采用低位宽芯片的模组,因为后者在一个P-Bank中可以容纳更多的芯片。比如上文中那个内存芯 片容量标识图,容量都是128Mbit,合16MB。如果DIMM采用双P-Bank+16bit芯片设计,那么只能容纳8颗芯 片,计128MB。但如果采用4bit位宽芯片,则可容纳32颗芯片,计512MB。DIMM容量前后相差出4倍,可见芯片位宽 对DIMM设计的重要性。因此,8bit位宽芯片是桌面台式机上容量与成本之间平衡性较好的选择,

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    目录

    Linux 内存管理全貌

    在这里插入图片描述

    物理存储器

    见《计算机组成原理 — 存储系统》。

    虚拟存储器

    在早期的计算机系统中,程序员会直接对主存的物理地址进行操作,这种编程方式显然会出现多进程操作共享内存空间的数据一致性问题。而且由于当初不存在虚拟存储器的概念,所以 CPU 寻址宽度就成为了内存容量的极限。显然,直接操作主存的物理地址不是一个好的办法。

    为了解决这些问题,现代计算机系统通过软(操作系统)、硬件结合的方式,把内存和外存从逻辑上统一成了一个整体,这就是虚拟存储器,或称为虚拟存储系统,简称虚拟内存。

    虚拟存储器解决了三个根本需求:

    1. 确保可以运行存储空间需求比实际内存空间大的用户程序
    2. 确保为用户程序分配的内存空间是连续的
    3. 确保多个用户程序之间的内存空间互相隔离

    为此,虚拟机存储器提供了三个重要的能力:

    1. 内-外存空间交换能力:利用局部性原理,从设计上,把内存当成外存的高速缓存,在内存中只存储活动数据,并根据需要在 “内-外” 存之间来回传送数据。通过这种数据交换的能力,即高效地利用了内存,同时也内存的容量扩大至内-外存容量的总和(注:实际上通常不会将全部外存都加入交换)。
    2. 虚拟地址空间编址能力:为每个应用程序提供一致的虚拟地址空间。
    3. 虚拟地址空间隔离能力:保护每个应用程序的虚拟地址空间是互相隔离的。

    为了提供上述三个重要的能力,虚拟存储器实现了两个关键技术:

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