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# 内存

在选购电脑的时候，有一项信息是一定要知道的，就是内存有多大？

## 内存的作用

为什么内存这么重要呢？其实，电脑真正工作的场所是在内存上面，包括所有系统的驱动程序、操作系统、工作数据、成品/半成品等等，都必须先加载到内存上面才能给CPU读取。尤其对Windows或比较大型的程序，要求的内存也越多。而且，内存永远也不会嫌多的，就像钱对于我来说 ^_^

## 如何计算内存的容量？

内存的最小单位是位(bit)，每个位可以代表1或0（开或关），而8个bit则组成1字节(byte)。byte可以说是电脑最基本的计算单位了，再往后则每乘以1024来增加单位。也就是说：
> ||||
> | -------------: | :-: | :------- |
> | 1KB(Kilo Byte) |  =  | 1024Byte |
> | 1MB(Mage Byte) |  =  | 1024KB   |
> | 1GB(Giga Byte) |  =  | 1024MB   |
> | 以此类推……      |     |          |

很早就和大家说过了：电脑只认识0和1，任何程序语言要交由电脑运算，最终的还要换成0和1才能够让电脑读得懂。我们在键盘上敲进一个字母 `A`，真正传给电脑的是`01000001`这个byte(8bit)，我们称这种字母对应方法为ASCII(America Standard Code for Information Interchange，美国标准信息交换码)。通常我们以纯文字(英文)所处理的文章，就是使用ASCII字母的了。

究竟内存的需求量是怎样计算出来的呢？如果以纯文字来算，一页A4纸大约能有5000多字节（包括标点和空白），即5KB，那么1MB就有超过二百页了。但如果要做出更漂亮的文字，每个字还需要更多的内存来储存其字形字体、特殊效果、行段格式等等，那么1MB也只能储存数十页，有时更少。总之，越漂亮越复杂的文件，所需的内存也越多。

下面再拿一个比较实际的例子来算算内存的使用量﹕

我们在选购显卡(Video Adapter)的时候，常常听说某卡有多少多少显存，究竟多少才够用呢﹖

先拿一个古老的单色显卡来说，假设它的分辨率是640x480，也就是说屏幕上横有640个显示点，竖则有480个点，而每个点只有两种变化：亮(白/黄/绿等单色)或不亮，这可用1个bit($2^{1}$)的开关来表示。那么

`640x480x1` bit</br>
 = `307200` bit</br>
 = `38400` byte</br>
 = `37.5` KB</br>
 = `0.036621` MB

您看只需要很少的显存就够了。然而，用的如果是彩色显卡的话，如果要显示简单的16色，每个点就需要4bit($2^{4}=16$)来显示了，那么就需要

`640x480x4` bit</br>
 = `228800` bit</br>
 = `153600` byte</br>
 = `150` KB</br>
 = `0.15` MB

如果要显示 256(8bit) 色，则需要 `840x480x8` bit = `0.29` MB 了。

假如您的显卡可以显示 1024x768 的分辨率和 32bit 颜色(目前市面上的最低水准)的话，您最少需要`1024x768x32` bit = `3` MB 的RAM。而现在市面上的显卡还有自己的程序处理功能(如3D加速，AI计算加速)，那么则需要更多的显存了。

不过，请您要分清楚的是：这里以显存为例子，并不是电脑系统上面的内存，而是显卡本身的（虽然某些核心或板载显卡会共享电脑的内存）。同时，这里虽然只作为一个计算例子而已，不过也适合计算一个 BMP 图像文件的大小
> 注：bmp 图像和 png 等图像不同，没有经过压缩，文件大小就是实际的分辨率大小，而 png 图像通常小于同分辨率的 bmp。

## 内存的管理

不同的操作系统，对内存的管理也不相同，下面以传统的DOS来看看内存的分配情形。由于传统设计的限制和向后兼容的考虑，DOS主要运用的是内存的前1MB。而且，真正工作的区域也只是前面的640K（然而哪怕早期的Windows也已经打破了这个限制了）。

| 0-640KB | 640-</br>768KB | 768-</br>832KB | 832-</br>896KB  | 896KB-</br>1MB   | 1MB-</br>16MB/4G |
| ------- | --------- |---------- | ---------- | ----------- | ---------- |
| &ensp;&ensp;&ensp;基本内存&ensp;&ensp;&ensp; | 显存</br>预留   | 适配器</br>内存 | EMS</br>Window | 主板BIOS</br>内存 | &ensp;&ensp;&ensp;&ensp;&ensp;&ensp;&ensp;&ensp;扩展内存&ensp;&ensp;&ensp;&ensp;&ensp;&ensp;&ensp;&ensp; |

离开了内存，电脑一点东西都做不到，但如果RAM给扰乱了或是超出了范围，电脑也会不工作，通常电脑的宕机或蓝屏(out of memory)就是这样形成的。

一般来说，当一个程序被启动的时候，所有其必须运用的数据都会先加载到内存上面，当程序被关闭的时候，也将所占用的空间腾空出来好给其它程序使用。但有些被称为“驻留程序(后台程序)”的程序，即使是“关闭”了依然还会存留在RAM里面。不过，这种程序为数不多，且都是些经常要用到的一些程序(大部分系统程序)。另外，有些电脑病毒也是这样躲在RAM里面而将继续开启的文件感染。

好的操作系统有较完善的内存管理，能避免因内存错误而当机的能力也比较好。通常我们在Windows（尤其是Windows95一类的较老的操作系统）上面看到什么 `'Illegal operation'`(非法指令，emm，学习C++的可能会遇到过)之类的信息，就多是因为内存错误而引起的。幸运的话，用 Ctrl+Alt+Del 打开任务管理器将受影响的程序结束掉，还可以继续工作；然而有时除了关机就别无它途，更糟糕的是连错误信息都没有就不动了。但相同的情形，如果在一个Unix（或Linux）系统上面，它们对内存的管理非常棒。就算本机的键盘不能操作，您还可以从另外的机器使用telnet或ssh进去然后将问题程序结束(kill)掉也还可以继续工作，未必一定要关机的。不过，现在的Windows也做到了这一点。

## 内存的分类

凡是能利用电子性能来作记录的元件都可以称为内存(Memory)，也分为只读存储器即ROM(Read Only Memory)和随机储存内存(这也就是上面大多数所提到的的内存)：RAM(Random Access Memory)。

其实几乎所有的主板和扩展卡(包括显卡等)及其它设备都有它们的ROM，主要是记录一些控制程序和协议等，也有各自的RAM来储存数据。

而我们通常说到的电脑内存就多指系统的RAM，早期的RAM都是直接焊接在主板上面的，而现在RAM已经模块化成为内存条，便于更换。不过，某些设备，例如某些型号的笔记本电脑和所有手机，内存还集成在主板上甚至CPU内部。假如您翻看前面CPU的叙述，不同年代的CPU其最大内存地址也是不同的。x86的CPU的最大内存地址是大约4GB，但x86-64架构的CPU的最大内存地址是大约64TB($2^{46}$Byte)。

RAM的速度是以ns（纳秒，nanoseconds，`1000000ns = 1ms`）做单位，以数据的储存速度为标准，数值越低越快。以前的SIMM有些是70ns，十分古老的DIMM最快都可以到10ns了。而现在主流的DDR4 的RAM，速度就更快了(没有找到确切的数据，但传输速度达到了 17-25GB/s)。同时，为配合CPU的外频速度，也需要不同外频速度的RAM才能发挥性能。

ROM虽然说是只读的，但现在的主板甚至显卡的ROM多数是可以重复刷写的，也就是通过程序可以对里面的内容进行更新。不过，如果自己升级固件就要非常小心了，尤其是在升级过程的一半断电的话可就难堪了。比如很久以前的CIH病毒，就可以进入到ROM里面去改写数据，以致机器打不开。如果拿去修理，有些奸商会趁机叫您将主板换掉，其实只要有适当设备，将数据重新写进ROM就可以救回的了，再不然，买一个新的ROM换掉也可以。

然而，RAM有一共同特性，就是有电才能维持记忆，如果电源关掉了，所有的记忆都会回复到全部为正或负。如果打开台式机的机器盖子去看看主板的话，上面应该都有颗钮扣电池，它就是用来维持主板时钟和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，用来储存和维护一些机器的基本设定数据）的工作的。一旦机器很久没用，重启的时候或许会显示警告或者开不起来，可能就是CMOS的电池用完了，以前的设定也就消失掉，此时只能再进入BIOS（Basic Input Output System）在厂家预设的基础上进行修改后才能让机器回复工作。有时候如果忘记了BIOS的密码，也可以通过取出电池或通过跳针将原有的设定清除掉，再重新设定。不过现在的CMOS大部分已经采用了非易失性存储器，断电不会丢失数据。所以主板上的电池只剩下了维持时钟工作的功能。不过为了保留传统，大部分厂商的主板也保留了扣下电池清除BIOS配置的功能，只是已经不能清除密码了。

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> 原文: [netman](http://www.study-area.org/compu/compu_mem.htm)</br>
> 翻译: cxykevin</br>
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