一个故事看懂内存条工作原理
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2021-03-26 18:53
来源 | 编程技术宇宙
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我是内存条
我是一个内存条，刚刚从深圳的一个工厂里被生产出来，跟我一起的还有一批小伙伴，长得跟我一模一样，下了流水线后我们就被扔进了一处黑暗的角落。
“这是哪里啊，黑漆漆的。”一个小伙伴说道。
“这里是内存条仓库。”黑暗中有人在说话，声音中略有一丝沧桑，像是一个老头。
“谁？谁在那里？”
“别怕，我也是一个内存条，比你们早几个月被生产出来。”那老头说道。
“啥，你都被关在这里几个月了，完了完了。”小伙伴急了。
“不是的，我出去过，后来被发现是残次品，又被回收了关在了这里，你们跟我不一样，刚刚生产出来，应该很快就能出去，被安装到电脑主板上，实现你们的价值。”
“电脑主板？那是什么地方？”我好奇地问道。
那声音继续说道：“那是计算机最核心的地方，是一个巨大的电路板，上面住着CPU、硬盘、网卡、显卡、声卡，当然，还有我们内存条。计算机必须有我们才能正常运转，因为CPU工作需要的指令和数据都存储在咱们内存中。”
刚说完，我们身边亮起了灯光，这时，我们才看清我和小伙伴们的样子。
“我们身上那几块黑乎乎的东西是什么，真是有点拉低颜值啊！”
“你可别小瞧了它们，那可是咱们内存条的核心存储芯片，我们的数据都是放在这里面的，它们一个就是1GB，总共16个，就是16GB的空间呢！”那老头又开口说道。
奇怪的是，我们还是看不到他。
“你在哪里，怎么亮了灯还是看不到你呢？”一个小伙伴问道。
“我在隔壁的柜子里，像我这种残次品估计是没机会出去了。”
“你刚才说16个存储芯片，这不是明明只有8个吗？”
“你转过身去看看，背上还有8个呢。”
我们几个纷纷转身看去，果然如此。
老头继续说到：“除了存储芯片，还有PCB电路板和金手指，这三部分共同构成了我们的身体。”
“金手指是什么东西？”
“就是脚下那一排土豪金颜色的部分了，那是我们连接主板插槽的接触点，一面有120个，两面就是240个，因为每个点看起来像手指，人们就把这叫做金手指了。”
“那为什么中间留了一个缺口呢？”
“我们的每个金手指都有不同的功能，正反面可不能弄混，为了防止愚蠢的人类把我们插错，所以中间留了一个缺口，要是弄反了可是插不进去的。通过主板上的电路，我们就能接通到计算机的总线系统上，可以和CPU对话了。”
原来如此，我们都若有所思地点点头。
数据存储
接下来，这位老头还讲了很多我们内存条先辈的故事。
原来，我们还有一个更专业的名字：RAM，随机存储器，因为我们可以随意读写任意位置的数据。
老头还说，现在计算机基本上都是二进制的，不管什么样的数据或者代码指令，在我们这里都是一串串的0和1的比特位。
为了存储这一个比特位，我们的先辈们可是费了不少功夫！
曾经有两种电路方案摆在先辈们的面前，第一种是静态方案：
是不是很复杂？我也觉得。这种电路方案的好处是可以稳定地维持在0和1之间的某个状态，所以叫静态SRAM。
但是需要用到的晶体管实在太多了，一个比特位就要用好几个晶体管，16GB那得用多少才够啊，成本太高了，造出来我们的个头肯定会特别大，主板上空间这么局促，哪里装得下啊。
先辈们没有选择这种方案，用了第二种方案：
看，是不是简单了许多？通过一个电容器的电荷就能决定这是一个1还是一个0。
在我们身上的每一个存储芯片里，这样的比特位存储单元都有很多：
再缩小一下看，它们密密麻麻地排列着，每一个位都由行地址和列地址来确定的：
但这种电路方案有个毛病，就是里面的那个电容会“漏电”，电容中的电荷会慢慢消失，电压也就变小了，这样就没办法区分这是表示的1还是0了，为了解决这个问题，必须得周期性地去给它们充电，才能维持数据的稳定，这叫动态数据刷新，所以这种方案叫动态DRAM。
内存编址
老头正给我们讲得兴起，突然有人把我们打包起来，所有的小伙伴都被分开了。
又经过了好长一段日子的黑暗和孤独，那一天突然咔嚓一声，我的金手指和卡槽连接了起来，难道这就是传说中的主板吗？
“你就是内存啊，我们可等你好久了，你来了我们总算可以开始工作了！”旁边一个家伙跟我打起了招呼。
“你哪位啊？”
“你好，我是CPU里的阿Q，你看就在你隔壁，咱们以后少不了要天天打交道了。对了，快告诉我，你有多大存储空间？”
我检查了一下，回答道：“我有16GB空间，也就是137438953472个比特位！”
“哇，这么多！太给力了！不过我该怎么使用你来存储数据呢？”
“这简单，你要访问哪个bit位，告诉我芯片号、bank号、行地址、列地址，我把数据取给你不就行了吗！”
“怎么这么麻烦？你这不讲武德啊，这些内部细节应该封装一下啊，提供给我一个简单接口就是了。”阿Q吐槽道。
“两位大哥，看这里。”这时，主板上不远处又有一个家伙开口了。
“你是谁？”我和阿Q异口同声地问道。
这家伙眯着眼说道：“我是内存控制器，专门为二位服务的。”
“啥，你要控制我？”
“您别误会，我就是一个中介，为两位提供服务而已。”
见我俩一头雾水，这家伙接着说道：“内存老哥，你的存储数据电路单元中的电容是不是经常漏电，需要定时刷新？而且按照规定，最多64ms就得要刷新一次？你放心，这数据刷新的工作以后就交给我了。”
“你怎么知道的？”
这家伙笑了笑继续说道：“这算啥，我还知道你的数据存储在你身上的每一个存储芯片之上，每一个芯片里面又分了很多个分片，每个分片里面又有很多的比特位存储格子。想要访问哪个比特位，就得指定对应的芯片、对应的分片、对应格子的行地址和列地址，我说的对不对？”
我点了点头，没想到这家伙居然对我了解得这么清楚。
“阿Q啊，你们CPU这边想要访问数据，肯定不想这么麻烦吧？”这家伙笑着问道。
“那当然！”
“所以啊，我就派上用场了啊，用比特位作为读写单元太麻烦了，咱们按8个比特位为一组，叫做一个字节，你们CPU这边统一给内存兄弟的存储空间编址，以后要读取数据的时候呢，就把地址交给我，我再告诉内存兄弟具体是读写哪个芯片哪个分片的哪些位置，怎么样，是不是为你们解决了大麻烦？”说完，内存控制器露出了得意的笑容。
“听上去不错啊，咱们开始吧！”
“现在还不行，还没通电呢！”
不过我们没等太久，就听见一阵嘶嘶声响，来电了！
随后我们就开始配合工作起来，初次见面，合作得就非常顺利，CPU对我所有的存储位按照字节为单位进行了统一编址，以后只需要一个地址，内存控制器就转换成具体的数据存储位置交给我，我再完成读写操作就可以了。
后来，看到内存控制器表现非常不错，在阿Q的牵线下，还把他集成到了CPU内部，现在成为了他们的一份子了！
我和CPU一直相处得不错，可没过多久，他们居然开始嫌我慢了，要说慢，硬盘那家伙可比我慢多了！
他们发现拿我没有办法，于是在CPU内部又搞了个缓存出来，不用每次都问我要数据，倒是给我省了不少工作量。
我的日子就这样过着，本以为就要在这主板上干到退休了，没想到那一天，一个浏览器程序告诉我说：“内存大哥你完了，刚刚我看到主人在网上买新的DDR4内存条，你要被淘汰了。”
难道我也要被打入小黑屋了吗？