彻底理解内存概念

何宗琦
1997-01-01

　　尽管内存这个词常常挂在我们的嘴上，但是，有多少人真正了解内存、理解内存概念呢？
　　对刚刚步入电脑世界的初学者来说，基本内存、上位内存、高端内存、扩展内存、扩充内存、保留内存等概念更是玄之又玄，难以彻底理解。
　　所以，我们特地请本报特聘专家何宗琦副教授再给大家上一堂内存概念课。
#1　　一、基本知识
　　首先，让我们从最基本的概念讲起：
#2　　●内存：
　　内存就是存储程序以及数据的地方，比如当我们在使用ＷＰＳ处理文稿时，当你在键盘上敲入字符时，它就被存入内存中，当你选择存盘时，内存中的数据才会被存入硬（磁）盘。在进一步理解它之前，还应认识一下它的物理概念。
#2　　●只读存储器（ＲＯＭ）
　　ＲＯＭ表示只读存储器（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ），在制造ＲＯＭ的时候，信息（数据或程序）就被存入并永久保存。这些信息只能读出，一般不能写入，即使机器掉电，这些数据也不会丢失。ＲＯＭ一般用于存放计算机的基本程序和数据，如上期本版介绍的ＢＩＯＳ　ＲＯＭ。其物理外形一般是双列直插式（ＤＩＰ）的集成块。
#2　　●随机存储器（ＲＡＭ）
　　随机存储器（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）表示既可以从中读取数据，也可以写入数据。当机器电源关闭时，存于其中的数据就会丢失。我们通常购买或升级的内存条就是用作电脑的内存，内存条（ＳＩＭＭ）就是将ＲＡＭ集成块集中在一起的一小块电路板，它插在计算机中的内存插槽上，以减少ＲＡＭ集成块占用的空间。目前市场上常见的内存条有４Ｍ／条、８Ｍ／条、１６Ｍ／条等。
#2　　●高速缓冲存储器（Ｃａｃｈｅ）
　　Ｃａｃｈｅ也是我们经常遇到的概念，它位于ＣＰＵ与内存之间，是一个读写速度比内存更快的存储器。当ＣＰＵ向内存中写入或读出数据时，这个数据也被存储进高速缓冲存储器中。当ＣＰＵ再次需要这些数据时，ＣＰＵ就从高速缓冲存储器读取数据，而不是访问较慢的内存，当然，如需要的数据在Ｃａｃｈｅ中没有，ＣＰＵ会再去读取内存中的数据。
　　当你理解了上述概念后，也许你会问，内存就是内存，为什么又会出现各种内存名词，这到底又是怎么回事呢？
　　在回答这个问题之前，我们再来看看下面这一段。
#1　　二、物理存储器和地址空间
　　物理存储器和存储地址空间是两个不同的概念。但是由于这两者有十分密切的关系，而且两者都用Ｂ、ＫＢ、ＭＢ、ＧＢ来度量其容量大小，因此容易产生认识上的混淆。初学者弄清这两个不同的概念，有助于进一步认识内存储器和用好内存储器。
　　物理存储器是指实际存在的具体存储器芯片。如主板上装插的内存条和装载有系统的ＢＩＯＳ的ＲＯＭ芯片，显示卡上的显示ＲＡＭ芯片和装载显示ＢＩＯＳ的ＲＯＭ芯片，以及各种适配卡上的ＲＡＭ芯片和ＲＯＭ芯片都是物理存储器。
　　存储地址空间是指对存储器编码（编码地址）的范围。所谓编码就是对每一个物理存储单元（一个字节）分配一个号码，通常叫作“编址”。分配一个号码给一个存储单元的目的是为了便于找到它，完成数据的读写，这就是所谓的“寻址”（所以，有人也把地址空间称为寻址空间）。
　　地址空间的大小和物理存储器的大小并不一定相等。举个例子来说明这个问题：电脑报编辑部所在的八楼共有１７个房间，其编号为８０１～８１７。这１７个房间是物理的，而其地址空间采用了三位编码，其范围是８００～８９９共１００个地址，可见地址空间是大于实际房间数量的。
　　对于３８６以上档次的微机，其地址总线为３２位，因此地址空间可达２３２即４ＧＢ。但实际上我们所配置的物理存储器通常只有１ＭＢ、２ＭＢ、４ＭＢ、８ＭＢ、１６ＭＢ、３２ＭＢ等，远小于地址空间所允许的范围。从图１我们可以看到地址空间与物理存储器之间的关系。
　　好了，现在可以解释为什么会产生诸如：常规内存、保留内存、上位内存、高端内存、扩充内存和扩展内存等不同内存类型。
#1　　三、各种内存概念
　　这里需要明确的是，我们讨论的不同内存的概念是建立在寻址空间上的。
　　ＩＢＭ推出的第一台ＰＣ机采用的ＣＰＵ是８０８８芯片，它只有２０根地址线，也就是说，它的地址空间是１ＭＢ。
　　ＰＣ机的设计师将１ＭＢ中的低端６４０ＫＢ用作ＲＡＭ，供ＤＯＳ及应用程序使用，高端的３８４ＫＢ则保留给ＲＯＭ、视频适配卡等系统使用。从此，这个界限便被确定了下来并且沿用至今。低端的６４０ＫＢ就被称为常规内存即ＰＣ机的基本ＲＡＭ区，请看图１。保留内存中的低１２８ＫＢ是显示缓冲区，高６４ＫＢ是系统ＢＩＯＳ（基本输入／输出系统）空间，其余１９２ＫＢ空间留用。从对应的物理存储器来看，基本内存区只使用了５１２ＫＢ芯片，占用００００至８００００这５１２ＫＢ地址。显示内存区虽有１２８ＫＢ空间，但对单色显示器（ＭＤＡ卡）只需４ＫＢ就足够了，因此只安装４ＫＢ的物理存储器芯片，占用了Ｂ００００至Ｂ１００００这４ＫＢ的空间，如果使用彩色显示器（ＣＧＡ卡）需要安装１６ＫＢ的物理存储器，占用Ｂ８０００至ＢＣ０００这１６ＫＢ的空间，可见实际使用的地址范围都小于允许使用的地址空间。
　　在当时（１９８０年末至１９８１年初）这么“大”容量的内存对ＰＣ机使用者来说似乎已经足够了，但是随着程序的不断增大，图象和声音的不断丰富，以及能访问更大内存空间的新型ＣＰＵ相继出现，最初的ＰＣ机和ＭＳ－ＤＯＳ设计的局限性变得越来越明显。
#2　　１．什么是扩充内存？
　　到１９８４年，即２８６被普遍接受不久，人们越来越认识到６４０ＫＢ的限制已成为大型程序的障碍，这时，Ｉｎｔｅｌ和Ｌｏｔｕｓ，这两家硬、软件的杰出代表，联手制定了一个由硬件和软件相结合的方案，此方法使所有ＰＣ机存取６４０ＫＢ以上ＲＡＭ成为可能。而Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ刚推出Ｗｉｎｄｏｗｓ不久，对内存空间的要求也很高，因此它也及时加入了该行列。
　　在１９８５年初，Ｌｏｔｕｓ、Ｉｎｔｅｌ和Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ三家共同定义了ＬＩＭ－ＥＭＳ，即扩充内存规范，通常称ＥＭＳ为扩充内存。当时，ＥＭＳ需要一个安装在Ｉ／Ｏ槽口的内存扩充卡和一个称为ＥＭＳ的扩充内存管理程序方可使用。但是Ｉ／Ｏ插槽的地址线只有２４位（ＩＳＡ总线），这对于３８６以上档次的３２位机是不能适应的。所以，现在已很少使用内存扩充卡。现在微机中的扩充内存通常是用软件如ＤＯＳ中的ＥＭＭ３８６把扩展内存模拟或扩充内存来使用。所以，扩充内存和扩展内存的区别并不在于其物理存储器的位置，而在于使用什么方法来读写它。下面将作进一步介绍。
　　前面已经说过扩充存储器也可以由扩展存储器模拟转换而成。ＥＭＳ的原理和ＸＭＳ不同，它采用了页帧方式。页帧是在１ＭＢ空间中指定一块６４ＫＢ空间（通常在保留内存区内，但其物理存储器来自扩展存储器），分为４页，每页１６ＫＢ。ＥＭＳ存储器也按１６ＫＢ分页，每次可交换４页内容，以此方式可访问全部ＥＭＳ存储器。图２给出了ＥＭＳ的工作原理。符合ＥＭＳ的驱动程序很多，常用的有ＥＭＭ３８６ＥＸＥ、ＱＥＭＭ、ＴｕｒｂｏＥＭＳ、３８６ＭＡＸ等。ＤＯＳ和Ｗｉｎｄｏｗｓ中都提供了ＥＭＭ３８６ＥＸＥ。
#2　　２．什么是扩展内存？
　　我们知道，２８６有２４位地址线，它可寻址１６ＭＢ的地址空间，而３８６有３２位地址线，它可寻址高达４ＧＢ的地址空间，为了区别起见，我们把１ＭＢ以上的地址空间称为扩展内存ＸＭＳ（ｅＸｔｅｎｄ　ｍｅｍｏｒｙ）。
　　在３８６以上档次的微机中，有两种存储器工作方式，一种称为实地址方式或实方式，另一种称为保护方式。在实方式下，物理地址仍使用２０位，所以最大寻址空间为１ＭＢ，以便与８０８６兼容。保护方式采用３２位物理地址，寻址范围可达４ＧＢ。ＤＯＳ系统在实方式下工作，它管理的内存空间仍为１ＭＢ，因此它不能直接使用扩展存储器。为此，Ｌｏｔｕｓ、Ｉｎｔｅｌ、ＡＳＴ及Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司建立了ＭＳ－ＤＯＳ下扩展内存的使用标准，即扩展内存规范ＸＭＳ。我们常在Ｃｏｎｆｉｇ．ｓｙｓ文件中看到的Ｈｉｍｅｍ．ｓｙｓ就是管理扩展内存的驱动程序。
　　扩展内存管理规范的出现迟于扩充内存管理规范。
#2　　３．什么是高端内存区？
　　在实方式下，内存单元的地址可记为：
　　段地址：段内偏移
　　通常用十六进制写为ＸＸＸＸ：ＸＸＸＸ。实际的物理地址由段地址左移４位再和段内偏移相加而成。若地址各位均为１时，即为ＦＦＦＦ：ＦＦＦＦ。其实际物理地址为：ＦＦＦ０＋ＦＦＦＦ＝１０ＦＦＥＦ，约为１０８８ＫＢ（少１６字节），这已超过１ＭＢ范围进入扩展内存了。这个进入扩展内存的区域约为６４ＫＢ，是１ＭＢ以上空间的第一个６４ＫＢ。我们把它称为高端内存区ＨＭＡ（Ｈｉｇｈ　Ｍｅｍｏｒｙ　Ａｒｅａ）。ＨＭＡ的物理存储器是由扩展存储器取得的。因此要使用ＨＭＡ，必须要有物理的扩展存储器存在。此外ＨＭＡ的建立和使用还需要ＸＭＳ驱动程序ＨＩＭＥＭＳＹＳ的支持，因此只有装入了ＨＩＭＥＭＳＹＳ之后才能使用ＨＭＡ。
#2　　４．什么是上位内存？
　　为了解释上位内存的概念，我们还得回过头看看保留内存区。保留内存区是指６４０ＫＢ～１０２４ＫＢ（共３８６ＫＢ）区域。这部分区域在ＰＣ诞生之初就明确是保留给系统使用的，用户程序无法插足。但这部分空间并没有充分使用，因此大家都想对剩余的部分打主意，分一块地址空间（注意：是地址空间，而不是物理存储器）来使用。于是就得到了又一块内存区域ＵＭＢ。
　　ＵＭＢ（Ｕｐｐｅｒ　Ｍｅｍｏｒｙ　Ｂｌｏｃｋｓ）称为上位内存或上位内存块。它是由挤占保留内存中剩余未用的空间而产生的，它的物理存储器仍然取自物理的扩展存储器，它的管理驱动程序是ＥＭＳ驱动程序。
#2　　５．什么是ＳＨＡＤＯＷ（影子）内存？
　　对于细心的读者，可能还会发现一个问题：即是对于装有１ＭＢ或１ＭＢ以上物理存储器的机器，其６４０ＫＢ～１０２４ＫＢ这部分物理存储器如何使用的问题。由于这部分地址空间已分配为系统使用，所以不能再重复使用。为了利用这部分物理存储器，在某些３８６系统中，提供了一个重定位功能，即把这部分物理存储器的地址重定位为１０２４ＫＢ～１４０８ＫＢ。这样，这部分物理存储器就变成了扩展存储器，当然可以使用了。但这种重定位功能在当今高档机器中不再使用，而把这部分物理存储器保留作为Ｓｈａｄｏｗ存储器。Ｓｈａｄｏｗ存储器可以占据的地址空间与对应的ＲＯＭ是相同的。Ｓｈａｄｏｗ由ＲＡＭ组成，其速度大大高于ＲＯＭ。当把ＲＯＭ中的内容（各种ＢＩＯＳ程序）装入相同地址的Ｓｈａｄｏｗ　ＲＡＭ中，就可以从ＲＡＭ中访问ＢＩＯＳ，而不必再访问ＲＯＭ。这样将大大提高系统性能。因此在设置ＣＭＯＳ参数时，应将相应的Ｓｈａｄｏｗ区设为允许使用（Ｅｎａｂｌｅｄ）。
#1　　四、总　　　结
　　经过上面分析，内存储器的划分可归纳如下：
#3　　●基本内存　　
　　　占据０～６４０ＫＢ地址空间。
#3　　●保留内存
　　　占据６４０ＫＢ～１０２４ＫＢ地址空间。分配给显示缓冲存储器、各适配卡上的ＲＯＭ和系统ＲＯＭ　ＢＩＯＳ，剩余空间可作上位内存ＵＭＢ。ＵＭＢ的物理存储器取自物理扩展存储器。此范围的物理ＲＡＭ可作为Ｓｈａｄｏｗ　ＲＡＭ使用。
#3　　●上位内存（ＵＭＢ）
　　　利用保留内存中未分配使用的地址空间建立，其物理存储器由物理扩展存储器取得。ＵＭＢ由ＥＭＳ管理，其大小可由ＥＭＳ驱动程序设定。
#3　　●高端内存（ＨＭＡ）
　　　扩展内存中的第一个６４ＫＢ区域（１０２４ＫＢ～１０８８ＫＢ）。由ＨＩＭＥＭ．ＳＹＳ建立和管理。
#3　　●ＸＭＳ内存　　
　　　符合ＸＭＳ规范管理的扩展内存区。其驱动程序为ＨＩＭＥＭ．ＳＹＳ。
#3　　●ＥＭＳ内存　　　
　　　符合ＥＭＳ规范管理的扩充内存区。其驱动程序为ＥＭＭ３８６．ＥＸＥ等。