Kolik adres paměti může paměť RAM v počítači držet?

Někdy je zábavné podívat se na povrchovou úroveň výpočetní zkušenosti a další dny je zábavné se ponořit přímo do vnitřních činností. Dnes se podíváme na strukturu paměti počítače a kolik věcí můžete zabalit do paměti RAM.

Dnešní zasedání Otázky a odpovědi nás přichází s laskavým svolením SuperUser - podřízené rozdělení Stack Exchange, které je založeno na komunitě prostřednictvím skupin webových stránek.

Otázka

Snímač SuperUser Johan Smohan se zabývá tím, jak typ procesoru a velikost paměti spolupracují, aby se získal celkový počet adres. Napsal:

Kolik paměťových adres získáme s 32bitovým procesorem a 1GB pamětí a kolik je s 64bitovým procesorem?

Myslím, že je to něco takového:

1 GB ram se dělí buď 32 bitů 4 bitům (?), Aby se dostal počet adres paměti?

Na Wikipedii jsem četl, že 1 adresy paměti jsou 32 bity široké nebo 4 oktety (1 oktet = 8 bitů), ve srovnání s 64 bitovým procesorem, kde 1 adresy paměti nebo 1 celé číslo má šířku 64 bitů nebo 8 oktetů. Ale nevím, jestli jsem to správně pochopil.

To jsou druhy otázek, které mohou v noci udržet zvědavý hajzl. Kolik adres je k dispozici v rámci každého Johanova hypotetického systému?

Odpověď

Příspěvek SuperUser Gronostaj nabízí nějaký pohled na to, jak je RAM rozdělena a využívána:

Stručná odpověď: Počet dostupných adres se rovná počtu dostupných adres:

Velikost paměti v bajtech

Největší celé znaménko bez znaménka, které lze uložit v slově stroje CPU

Dlouhá odpověď a vysvětlení výše:

Paměť se skládá z bajtů (B). Každý bajt se skládá z 8 bitů (b).
1 B = 8 b 
1 GB paměti RAM je ve skutečnosti 1 GiB (gibibyte, nikoli gigabyte). Rozdíl je:
1 GB = 10 ^ 9 B = 1 000 000 000 B 1 GiB = 2 ^ 30 B = 1 073 741 824 B 
Každý bajt paměti má svou vlastní adresu, bez ohledu na to, jak velké je slovo stroje CPU. Např. Intel 8086 CPU byl 16bitový a byl zaměřen na paměť bajtů, takže moderní 32bitové a 64bitové CPU. To je příčina první hranice - nemáte více adres než paměťové bajty.

Paměťová adresa je jen několik bajtů, které CPU musí vynechat od začátku paměti, aby se dostal k jednomu, který hledá.

Pro přístup k prvnímu bytu musí přeskočit 0 bajtů, tak adresa prvního bajtu je 0.

Pro přístup k druhému bytu musí přeskočit 1 bajt, takže jeho adresa je 1.

(a tak dále… )

Pro přístup k poslednímu bytu CPU přeskočí 1073741823 bajtů, takže jeho adresa je 1073741823.

Nyní musíte vědět, co 32-bit skutečně znamená. Jak jsem již zmínil, je to velikost strojního slova.

Strojové slovo je množství paměti, které procesor používá k zadávání čísel (v paměti RAM, mezipaměti nebo interních registrech). 32bitový procesor používá 32 bitů (4 bajty) k držení čísel. Adresy paměti jsou také číslice, takže na 32bitovém procesoru je paměťová adresa 32 bitů.

Nyní přemýšlejte o tom: pokud máte jeden bit, můžete na něj uložit dvě hodnoty: 0 nebo 1. Přidejte ještě jeden bit a máte čtyři hodnoty: 0, 1, 2, 3. Na třech bitích můžete uložit osm hodnot : 0, 1, 2 ... 6, 7. Toto je vlastně binární systém a funguje to takto:
Binární desetinné 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 
Funguje přesně jako obvykle, ale maximální číslice je 1, nikoliv 9. Desítková je 0 0000, pak přidáte 1 a dostanete 0001, přidat jeden znovu a máte 0010. Co se stalo, je to, jako kdybychom měli desetinnou čárku 09 a přidáte jeden: změníte 9 na 0 a zvýšíte další číslici.

Z výše uvedeného příkladu lze vidět, že v čísle s konstantním počtem bitů je stále vždy maximální hodnota - protože když jsou všechny bity 1 a pokusíte se zvýšit hodnotu o 1, všechny bity se stanou 0, čímž se poruší číslo. Nazývá se celočíselný přetečení a způsobuje mnoho nepříjemných problémů jak pro uživatele, tak pro vývojáře.
 11111111 = 255 + 1 ----------- 100000000 = 0 (9 bitů zde, takže 1 je oříznuto) 
Pro 1 bit je největší hodnota 1,

2 bity - 3,

3 bity - 7,

4 bity - 15

Největší možný počet je vždy 2 ^ N-1, kde N je počet bitů. Jak jsem již řekl, paměťová adresa je číslo a má také maximální hodnotu. Proto velikost počítače je také limit pro počet dostupných adres paměti - někdy CPU prostě nemůže zpracovávat čísla dostatečně velká pro adresování více paměti.

Takže na 32 bitů můžete mít čísla od 0 do 2 ^ 32-1 a to je 4 294 967 295. Je to víc než největší adresa v 1 GB RAM, takže ve vašem konkrétním případě bude velikost paměti RAM omezujícím faktorem.

Limit RAM pro 32bitový CPU je teoreticky 4 GB (2 ^ 32) a pro 64bitový CPU je to 16 EB (exabytes, 1 EB = 2 ^ 30 GB). Jinými slovy, 64bitový procesor by se mohl zaměřit na celý internet ... 200krát;) (odhaduje se WolframAlpha).

V operačních systémech v reálném životě však mohou 32bitové procesory řešit přibližně 3 GB paměti RAM. Je to kvůli vnitřní architektuře operačního systému - některé adresy jsou vyhrazeny pro jiné účely. Více informací o této tzv. 3 GB bariéře naleznete na Wikipedii. Tento limit můžete zvětšit pomocí rozšíření o fyzickou adresu.

Když mluvíme o adresování paměti, je několik věcí, které bych měl zmínit: virtuální paměť, segmentace a stránkování.

Virtuální paměť

Jak uvedl @Daniel R Hicks v jiné odpovědi, operační systémy používají virtuální paměť. Co to znamená, že aplikace skutečně nefungují na skutečných adresách paměti, ale ty, které poskytuje OS.

Tato technika umožňuje operačnímu systému přesunout data z paměti RAM na takzvaný soubor Pagefile (Windows) nebo Swap (* NIX). HDD je málo magnitudes pomalejší než RAM, ale není to vážný problém pro zřídka přístupná data a umožňuje OS poskytovat aplikacím více RAM, než jste skutečně nainstalovali.

Stránkování

To, o čem jsme dosud mluvili, se nazývá schéma plochého adresování.

Paging je alternativní schéma adresování, které umožňuje řešit více paměti, které byste normálně mohli s jedním slovem stroje v plochém modelu.

Představte si knihu plnou čtyřpísmenných slov. Řekněme, že na každé stránce je 1024 čísel. Chcete-li se obrátit na číslo, musíte vědět dvě věci:

Počet stránek, na kterých je toto slovo vytištěno.

Které slovo na té stránce je ta, kterou hledáte.

Tak to je přesně to, jak moderní procesory x86 zpracovávají paměť. Je rozdělen na 4 KiB stránky (1024 strojních slov) a tyto stránky mají čísla. (ve skutečnosti mohou být také 4 MiB velké nebo 2 MiB s PAE). Chcete-li se obrátit na paměťovou buňku, potřebujete číslo stránky a adresu na této stránce. Všimněte si, že každá paměťová buňka je odkazována přesně jeden pár čísel, to nebude případ pro segmentaci.

Segmentace

No, toto je velmi podobné stránkování. Byl používán v technologii Intel 8086, jen proto, abychom jmenovali jeden příklad. Skupiny adres jsou nyní nazývány segmenty paměti, nikoli stránky. Rozdíl je, že segmenty se mohou překrývat a hodně se překrývají. Například na 8086 byly většina paměťových buněk k dispozici ze 4096 různých segmentů.

Příklad:

Řekněme, že máme 8 bajtů paměti, přičemž všechny mají nuly, s výjimkou čtvrtého bytu, který se rovná 255.

Ilustrace pro model s plochou pamětí:
 _____ | 0 | |. | 0 | |. | 0 | |. | 255 | |. | 0 | |. | 0 | |. | 0 | |. | 0 | ----- 
Ilustrace pro stránkovanou paměť se čtyřbajtovými stránkami:
 PAGE0 _____ | 0 | |. | 0 | |. | 0 | PAGE1 | 255 | _____ ----- | 0 | |. | 0 | |. | 0 | |. | 0 | ----- 
Ilustrace segmentované paměti se segmenty 4 bajtů se posunuly o 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 | ----- ----- ----- ----- 
Jak je vidět, čtvrtý byte lze řešit čtyřmi způsoby: (adresování od 0)

Segment 0, offset 3

Segment 1, offset 2

Segment 2, offset 1

Segment 3, offset 0

Je to vždy stejná paměťová buňka.

V reálných implementacích jsou segmenty posunuty o více než 1 bajt (pro 8086 to bylo 16 bajtů).

Co je špatné v segmentaci, je to, že je to složité (ale myslím, že už víte, že;) Co je dobré, je, že můžete použít nějaké chytré techniky pro vytváření modulárních programů.

Můžete například načíst nějaký modul do segmentu a předstírat, že segment je menší, než je skutečně (je dostatečně malý na to, aby držel modul), pak zvolte první segment, který se nepřesahuje s tímto pseudo-menším a načtěte další modul a podobně. V podstatě to, co získáte tímto způsobem, jsou stránky s různou velikostí.

Musíte něco přidat k vysvětlení? Vypadněte v komentářích. Chcete se dozvědět více odpovědí od ostatních uživatelů technologie Stack Exchange? Podívejte se na celý diskusní příspěvek zde.