java菜鸟学习数据结构——准备篇1（内存分配原理）

java程序员一个，不是专业出身，没学过计算机底层的东西，如数据结构、操作系统、微机原理等。发现除了java基础，学习其他框架知识很吃力，平时手懒加上锻炼机会少。感觉自己能力很弱。想了又想，决定放下手中的SSH整合、编程思想等书，学习一下计算机底层的东西。打牢自己知识体系的根基。应该也有不少培训班出来的学生，没有专业基础，学习了一大堆如SSH框架等技术，虽然掌握了，但发现驾驭起来很吃力，学习其他相关知识也受限。所以打算把自己的学习心得整理一下，一边学习一边记录。

数据结构是一门很重要的课程，几乎是所有计算机语言的核心。在学习数据结构前，要准备一些相关知识。比如内存的工作原理和C语言的指针。

内存的工作涉及到很多硬件的东西，对于软件工程师来说，只要了解基本的原理即可，在网上找资料整理了一下，大部分文字和图片源于http://forum.eepw.com.cn/thread/195207/1和百度百科

一、总线

cpu不能直接访问硬盘的数据，而是通过操作内存来直接或间接的访问数据。cpu的数据总监大致分为三种，即数据总线DB（Data
Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus）。

　　“数据总线DB”用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，即他既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。

　　“地址总线AB”是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如8位微机的地址总线为16位，则其最大可寻址空间为2^16=64KB。

　　“控制总线CB”用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的，如读/写信号，片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给CPU的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号等。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，(信息)一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。

二、存储原理



　　RAM(Random Access Memory)主要的作用就是存储代码和数据供CPU在需要的时候调用。像是图书馆中用有格子的书架存放书籍一样，不但要放进去还要能够在需要的时候准确的调用出来，虽然都是书但是每本书是不同的。对于RAM等存储器来说也是一样的，虽然存储的都是代表0和1的代码，但是不同的组合就成了不同的数据。

　　让我们重新回到书和书架上来，如果有一个书架上有10行和10列格子（每行和每列都有0-9的编号），有100本书要存放在里面，那么我们使用一个行的编号＋一个列的编号就能确定某一本书的位置。如果已知这本书的编号87，那么我们首先锁定第8行，然后找到第7列就能准确的找到这本书了。在RAM存储器中也是利用了相似的原理。

　　现在让我们回到RAM存储器上，对于RAM存储器而言数据总线是用来传入数据或者传出数据的。因为存储器中的存储空间是如果前面提到的存放图书的书架一样通过一定的规则定义的，所以我们可以通过这个规则来把数据存放到存储器上相应的位置，而进行这种定位的工作就要依靠地址总线来实现了。对于CPU来说，RAM就象是一条长长的有很多空格的细线，每个空格都有一个唯一的地址与之相对应。如果CPU想要从RAM中调用数据，它首先需要给地址总线发送地址数据定位要存取的数据，然后等待若干个时钟周期之后，数据总线就会把数据传输给CPU。下面的示意图可以帮助你很好的理解这个过程。



　　上图中的小园点代表RAM中的存储空间，每一个都有一个唯一的地址线同它相连。当地址解码器接收到地址总线送来的地址数据之后，它会根据这个数据定位CPU想要调用的数据所在的位置，然后数据总线就会把其中的数据传送到CPU。

　　上面所列举的例子中CPU在一行数据中每次知识存取一个字节的数据，但是在现实世界中是不同的，通常CPU每次需要调用32bit或者是64bit的数据（这是根据不同计算机系统的数据总线的位宽所决定的）。如果数据总线是64bit的话，CPU就会在一个时间中存取8个字节的数据，因为每次还是存取1个字节的数据，64bit总线将不会显示出来任何的优势，工作的效率将会降低很多。

从“线”到“矩阵”

　　如果RAM对于CPU来说仅仅是一条“线”的话，还不能体现实际的运行情况。因为如果实际情况真的是这样的话，在实际制造芯片的时候，会有很多实际的困难，特别是在需要设计大容量的RAM的时候。所以，一种更好的能够降低成本的方法是让存储信息的“空格”排列为很多行－－每个“空格”对应一个bit存储的位置。这样，如果要存储1024bits的数据，那么你只要使用32x32的矩阵就能够达到这个目的了。很明显，一个32x32的矩阵比一个1024bit的行设备更紧凑，实现起来也更加容易。请看下图：



　　知道了RAM的基本结构是什么样子的，我们就下面谈谈当存储字节的过程是怎样的：上面的示意图显示的也仅仅是最简单状态下的情况，也就是当内存条上仅仅只有一个RAM芯片的情况。对于X86处理器，它通过地址总线发出一个具有22位二进制数字的地址编码－－其中11位是行地址，另外11位是列地址，这是通过RAM地址接口进行分离的。行地址解码器（row decoder）将会首先确定行地址，然后列地址解码器（column
decoder）将会确定列地址，这样就能确定唯一的存储数据的位置，然后该数据就会通过RAM数据接口将数据传到数据总线。另外，需要注意的是，RAM内部存储信息的矩阵并不是一个正方形的，也就是行和列的数目不是相同的－－行的数目比列的数目少。



　　上面的示意图粗略的概括了一个基本的SRAM芯片是如何工作的。SRAM是“static RAM（静态随机存储器）”的简称，之所以这样命名是因为当数据被存入其中后不会消失（同DRAM动态随机存储器是不同，DRAM必须在一定的时间内不停的刷新才能保持其中存储的数据）。一个SRAM单元通常由4-6只晶体管组成，当这个SRAM单元被赋予0或者1的状态之后，它会保持这个状态直到下次被赋予新的状态或者断电之后才会更改或者消失。SRAM的速度相对比较快，而且比较省电，但是存储1bit的信息需要4-6只晶体管制造成本太高了（DRAM只要1只晶体管就可以实现）。

RAM芯片和SRAM芯片

　　RAM芯片：

　　前面的介绍都相对比较简单、抽象。下面我们会结合实际的RAM芯片进行介绍。在谈到这个问题的时候，我们会涉及到一个比较重要的技术：封装。你应该听说过诸如30线SIMMS、72线SIMMS和168线DIMMS或者RIMMs其中的一个或者几个术语吧。如果要解释这些术语之间的不同，就应该了解RAM的封装技术。

　　SRAM芯片：

　　早期的SRAM芯片采用了20线双列直插（DIP：Dual Inline Package）封装技术，它们之所以具有这么多的针脚，是因为它们必须：每个地址信号都需要一根信号线；一根数据输入线和一根数据输出线部分控制线(Write Enable, Chip Select)；线和电源线



　　上图显示的是SRAM芯片，但是并不是下面示意图中的SRAM芯片，下面的是一个16K x 1-bit SRAM芯片的针脚功能示意图：



　　A0-A13是地址输入信号引脚，CS是芯片选择引脚。在一个实际的系统中，一定具有很多片SRAM芯片，所以需要选择究竟从那一片SRAM芯片中写入或者读取数据。WE是写入启用引脚（如上表，在CS、WE上面的线我没有写入，表示低电平有效或者是逻辑0时有效）：当SRAM得到一个地址之后，它需要知道进行什么操作，究竟是写入还是读取，WE就是告诉SRAM要写入数据。Vcc是供电引脚。Din是数据输入引脚。Dout是数据输出引脚。GND是接地引脚

　　Output：

　　Enable（OE）：有的SRAM芯片中也有这个引脚，但是上面的图中并没有。这个引脚同WE引脚的功能是相对的，它是让SRAM知道要进行读取操作而不是写入操作。从Dout引脚读取1bit数据需要以下的步骤：

SRAM读取操作：1)通过地址总线把要读取的bit的地址传送到相应的读取地址引脚(这个时候/WE引脚应该没有激活，所以SRAM知道它不应该执行写入操作)。2)激活/CS选择该SRAM芯片。3)激活/OE引脚让SRAM知道是读取操作。第三步之后，要读取的数据就会从DOut引脚传输到数据总线。怎么过程非常的简单吧？同样，写入1bit数据的过程也是非常的简单的。SRAM写入操作：1)通过地址总线确定要写入信息的位置(确定/OE引脚没有被激活）。2)通过数据总线将要写入的数据传输到Dout引脚。3)激活/CS引脚选择SRAM芯片。4)激活/WE引脚通知SRAM知道要尽心写入操作。

　　经过上面的四个步骤之后，需要写入的数据就已经放在了需要写入的地方。

DRAM芯片介绍

　　现在我们知道了在一个简单的SRAM芯片中进行读写操作的步骤了了，然后我们来了解一下普通的DRAM芯片的工作情况。DRAM相对于SRAM来说更加复杂，因为在DRAM存储数据的过程中需要对于存储的信息不停的刷新，这也是它们之间最大的不同。下面让我们看看DRAM芯片的针脚的作用。

　　最早、最简单也是最重要的一款DRAM芯片是Intel在1979年发布的2188，这款芯片是16Kx1 DRAM 18线DIP封装。“16K x 1”的部分意思告诉我们这款芯片可以存储16384个bit数据，在同一个时期可以同时进行1bit的读取或者写入操作。(很抱歉找不到这款芯片的实物图片，只好自己简单的画了一个示意图)。



　　上面的示意图可以看出，DRAM和SRAM之间有着明显的不同。首先你会看到地址引脚从14根变为7根，那么这颗16K DRAM是如何完成同16K SRAM一样的工作的呢？答案很简单，DRAM通过DRAM接口把地址一分为二，然后利用两个连续的时钟周期传输地址数据。这样就达到了使用一半的针脚实现同SGRAM同样的功能的目的，这种技术被称为多路技术（multiplexing）。

　　那么为什么好减少地址引脚呢？这样做有什么好处呢？前面我们曾经介绍过，存储1bit的数据SRAM需要4-6个晶体管但是DRAM仅仅需要1个晶体管，那么这样同样容量的SRAM的体积比DRAM大至少4倍。这样就意味着你没有足够空间安放同样数量的引脚（因为针脚并没有因此减少4倍）。当然为了安装同样数量的针脚，也可以把芯片的体积加大，但是这样就提高芯片的生产成本和功耗，所以减少针脚数目也是必要的，对于现在的大容量DRAM芯片，多路寻址技术已经是必不可少的了。

　　当然多路寻址技术也使得读写的过程更加复杂了，这样在设计的时候不仅仅DRAM芯片更加复杂了，DRAM接口也要更加复杂，在我们介绍DRAM读写过程之前，请大家看一张DRAM芯片内部结构示意图：



　　在上面的示意图中，你可以看到在DRAM结构中相对于SRAM多了两个部分：由/RAS (Row Address

Strobe：行地址脉冲选通器)引脚控制的行地址门闩线路（Row Address Latch）和由/CAS(Column Address Strobe：列地址脉冲选通器)引脚控制的列地址门闩线路（Column Address Latch）。DRAM读取过程：1)通过地址总线将行地址传输到地址引脚。2)/RAS引脚被激活，这样行地址被传送到行地址门闩线路中。3)行地址解码器根据接收到的数据选择相应的行。



　　4)/WE引脚被确定不被激活，所以DRAM知道它不会进行写入操作。5)列地址通过地址总线传输到地址引脚。6)/CAS引脚被激活，这样列地址被传送到行地址门闩线路中。7)/CAS引脚同样还具有/OE引脚的功能，所以这个时候Dout引脚知道需要向外输出数据。



　　8)/RAS和/CAS都不被激活，这样就可以进行下一个周期的数据操作了。其实DRAM的写入的过程和读取过程是基本一样的，所以如果你真的理解了上面的过程就能知道写入过程了，所以这里我就不赘述了。（只要把第4步改为/WE引脚被激活就可以了）。

　　我们已经提到过，DRAM同SRAM最大的不同就是不能比较长久的保持数据，这项特性使得这种存储介质对于我们几乎没有任何的作用。但是DRAM设计师利用刷新的技术使得DRAM称为了现在对于我们最有用处的存储介质。这里我仅仅简要的提及一下DRAM的刷新技术，因为在后面介绍FP、EDO等类型的内存的时候，你会发现它们具体的实现过程都是不同的。

　　DRAM内仅仅能保持其内存储的电荷非常短暂的时间，所以它需要在其内的电荷消失之前就进行刷新直到下次写入数据或者计算机断电才停止。每次读写操作都能刷新DRAM内的电荷，所以DRAM就被设计为有规律的读取DRAM内的内容。这样做有下面几个好处。第一，仅仅使用/RAS激活每一行就可以达到全部刷新的目的；第二，DRAM控制器来控制刷新，这样可以防止刷新操作干扰有规律的读写操作。在文章的开始，我曾经说过一般行的数目比列的数据少。现在我可以告诉为什么会这样了，因为行越少用户刷新的时间就会越少。另外需要一个额外设电路进行内存刷新操作。具体的工作过程是这样的：一个DRAM的存储单元存储的是0还是1取决于电容是否有电荷，有电荷代表1，无电荷代表0。但时间一长，代表1的电容会放电，代表0的电容会吸收电荷，这就是数据丢失的原因；刷新操作定期对电容进行检查，若电量大于满电量的1/2，则认为其代表1，并把电容充满电；若电量小于1/2，则认为其代表0，并把电容放电，藉此来保持数据的连续性。