内存的工作原理
把 CPU 作为大脑的话，CPU 缓存是人的瞬时记忆，内存是人的短时记忆，磁盘是人的长时记忆。那么 CPU 如何与内存交互？
什么是内存
内存（Memory）是计算机中最重要的部件之一，它是程序与 CPU 进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存对计算机的影响非常大，内存又被称为 主存，其作用是存放 CPU 中的运算数据，以及与硬盘等外部存储设备交换的数据。只要计算机在运行中，CPU 就会把需要运算的数据调到主存中进行运算，当运算完成后 CPU 再将结果传送出来，主存的运行也决定了计算机的稳定运行。
内存是易失性存储，与磁盘不同，掉电则失去所有数据。
内存的物理结构
内存的内部是由各种 IC 电路组成的，它的种类很庞大，但是其主要分为三种存储器
- 随机存储器（RAM）： 内存中最重要的一种，表示既可以从中读取数据，也可以写入数据。当机器关闭时，内存中的信息会
丢失。 - 只读存储器（ROM）：ROM 一般只能用于数据的读取，不能写入数据，但是当机器停电时，这些数据不会丢失。
- 高速缓存（Cache）：Cache 也是我们经常见到的，它分为一级缓存（L1 Cache）、二级缓存（L2 Cache）、三级缓存（L3 Cache）这些数据，它位于内存和 CPU 之间，是一个读写速度比内存
更快的存储器。当 CPU 向内存写入数据时，这些数据也会被写入高速缓存中。当 CPU 需要读取数据时，会直接从高速缓存中直接读取，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。
内存 IC 是一个完整的结构，它内部也有电源、地址信号、数据信号、控制信号和用于寻址的 IC 引脚来进行数据的读写。下面是一个虚拟的 IC 引脚示意图
图中 VCC 和 GND 表示电源，A0 - A9 是地址信号的引脚，D0 - D7 表示的是控制信号、RD 和 WR 都是好控制信号，我用不同的颜色进行了区分，将电源连接到 VCC 和 GND 后，就可以对其他引脚传递 0 和 1 的信号，大多数情况下，+5V 表示 1，0V 表示 0。
我们都知道内存是用来存储数据，那么这个内存 IC 中能存储多少数据呢？D0 - D7 表示的是数据信号，也就是说，一次可以输入输出 8 bit = 1 byte 的数据。A0 - A9 是地址信号共十个，表示可以指定 00000 00000 - 11111 11111 共 2 的 10 次方 = 1024 个地址。每个地址都会存放 1 byte 的数据，因此我们可以得出内存 IC 的容量就是 1 KB。
内存的读写过程
让我们把关注点放在内存 IC 对数据的读写过程上来吧！我们来看一个对内存 IC 进行数据写入和读取的模型
来详细描述一下这个过程，假设我们要向内存 IC 中写入 1byte 的数据的话，它的过程是这样的：
- 首先给 VCC 接通 +5V 的电源，给 GND 接通 0V 的电源，使用
A0 - A9来指定数据的存储场所，然后再把数据的值输入给D0 - D7的数据信号，并把WR（write）的值置为 1，执行完这些操作后，即可以向内存 IC 写入数据 - 读出数据时，只需要通过 A0 - A9 的地址信号指定数据的存储场所，然后再将 RD 的值置为 1 即可。
- 图中的 RD 和 WR 又被称为控制信号。其中当 WR 和 RD 都为 0 时，无法进行写入和读取操作。
内存的现实模型
为了便于记忆，我们把内存模型映射成为我们现实世界的模型，在现实世界中，内存的模型很想我们生活的楼房。在这个楼房中，1 层可以存储一个字节的数据，楼层号就是 地址，下面是内存和楼层整合的模型图
我们知道，程序中的数据不仅只有数值，还有 数据类型 的概念，从内存上来看，就是占用内存大小（占用楼层数）的意思。即使物理上强制以 1 个字节为单位来逐一读写数据的内存，在程序中，通过指定其数据类型，也能实现以特定字节数为单位来进行读写。、
内存与磁盘的关系
计算机最主要的存储部件是内存和磁盘。 磁盘中存储的程序必须加载到内存中才能运行 ，在磁盘中保存的程序是无法直接运行的，这是因为负责解析和运行程序内容的 CPU 是需要通过程序计数器来指定内存地址从而读出程序指令的。
磁盘缓存
我们上面提到，磁盘往往和内存是互利共生的关系，相互协作，彼此持有良好的合作关系。每次内存都需要从磁盘中读取数据，必然会读到相同的内容，所以一定会有一个角色负责存储我们经常需要读到的内容。 我们大家做软件的时候经常会用到 缓存技术，那么硬件层面也不例外，磁盘也有缓存，磁盘的缓存叫做 磁盘缓存。
磁盘缓存指的是把从磁盘中读出的数据存储到内存的方式，这样一来，当接下来需要读取相同的内容时，就不会再通过实际的磁盘，而是通过磁盘缓存来读取。某一种技术或者框架的出现势必要解决某种问题的，那么磁盘缓存就大大 改善了磁盘访问的速度 。
虚拟内存
虚拟内存的目的是为了让物理内存扩充成更大的逻辑内存，从而让程序获得更多的可用内存。它是内存和磁盘交互的第二个媒介。虚拟内存是指把磁盘的一部分作为 假想内存 来使用。这与磁盘缓存是假想的磁盘（实际上是内存）相对，虚拟内存是假想的内存（实际上是磁盘）。
为了更好的管理内存，操作系统将内存抽象成地址空间。每个程序拥有自己的地址空间，这个地址空间被分割成多个块，每一块称为一页。这些页被映射到物理内存，但不需要映射到连续的物理内存，也不需要所有页都必须在物理内存中。当程序引用到不在物理内存中的页时，由硬件执行必要的映射，将缺失的部分装入物理内存并重新执行失败的指令。
从上面的描述中可以看出，虚拟内存允许程序不用将地址空间中的每一页都映射到物理内存，也就是说一个程序不需要全部调入内存就可以运行，这使得有限的内存运行大程序成为可能。例如有一台计算机可以产生 16 位地址，那么一个程序的地址空间范围是 0~64K。该计算机只有 32KB 的物理内存，虚拟内存技术允许该计算机运行一个 64K 大小的程序。
虚拟内存与内存的交换方式
虚拟内存的方法有 分页式 和 分段式 两种。Windows 采用的是分页式。该方式是指在不考虑程序构造的情况下，把运行的程序按照一定大小的页进行分割，并以 页 为单位进行置换。在分页式中，我们把磁盘的内容读到内存中称为 Page In，把内存的内容写入磁盘称为 Page Out。Windows 计算机的页大小为 4KB ，也就是说，需要把应用程序按照 4KB 的页来进行切分，以页（page）为单位放到磁盘中，然后进行置换。
为了实现内存功能，Windows 在磁盘上提供了虚拟内存使用的文件（page file，页文件）。该文件由 Windows 生成和管理，文件的大小和虚拟内存大小相同，通常大小是内存的 1 - 2 倍。
地址映射
内存管理单元（MMU）管理着地址空间和物理内存的转换，其中的页表（Page table）存储着页（程序地址空间）和页框（物理内存空间）的映射表。
一个虚拟地址分成两个部分，一部分存储页面号，一部分存储偏移量。
下图的页表存放着 16 个页，这 16 个页需要用 4 个比特位来进行索引定位。例如对于虚拟地址（0010 000000000100），前 4 位是存储页面号 2，读取表项内容为（110 1），页表项最后一位表示是否存在于内存中，1 表示存在。后 12 位存储偏移量。这个页对应的页框的地址为 （110 000000000100）。
