1.3 内存

1.3.1 基本概念

1．内存和外存

内存存放当前正在执行的程序和使用的数据，CPU可以直接存取。它由半导体存储器芯片构成，其存取速度快，但成本高，容量比外存的小，断电后内存中的内容会丢失。某些计算机带有后备电池，在断电后为内存提供电源，因此可在断电后维持内存的内容。

外存可用来长期保存大量的程序和数据，CPU需要通过I/O接口访问外存，例如硬盘或CDROM、DVD等。与内存相比，其成本低，容量大，但存取速度较慢。

2．存储器容量

存储器的容量以字节（byte）为单位。字节可用大写字母B表示，1个字节占用一个存储单元，包含8个二进制位（bit），二进制位可用小写字母b表示。在描述比较大的存储容量时，经常使用KB、MB、GB、TB等单位。它们之间的关系为：

1KB=210B=1024B

1MB=220B=1024KB=1048576B

1GB=230B=1024MB=1073741824B

1TB=240B=1024GB=1099511627776B

1PB=250B=1024TB=1125899906842624B

1EB=260B=1024PB=1152921504606846976B

目前，微机的内存容量可以达到64GB，而1块硬盘容量可以达到几个太字节（TB），磁盘阵列中可以包括上百块硬盘，达到PB级的容量，某些大型数据中心甚至可以达到EB级容量。

注意，有的存储器厂家采用这样的公式：

1KB=103B=1000B

1MB=106B=1000KB=1000000B

1GB=109B=1000MB=1000000000B

这就导致这些产品的实际存储容量达不到厂家标称的数值。例如：“SEAGATE ST336752FSUN36G”硬盘的标称容量为36GB，其容量为36420074496字节，约为36.42GB。它是按照1GB=1000000000B计算的。

36420074496/1000000000=36.420074496

但是，如果按照1GB=1073741824B计算，则有：

36420074496/1073741824=33.91883754730224609375

这款硬盘容量约为33.92GB。

3．内存地址及内容

为了正确区分不同的内存单元，给每个单元分配了唯一的地址，地址从0开始编号，顺序递增1。在机器中，地址用无符号二进制数表示，可简写为十六进制数形式。一个存储单元中存放1个字节信息，称为该单元的内容。CPU在读写这个字节时，首先给出这个字节的内存地址，然后内存将数据写入这个地址对应的存储单元，或者将存储单元中的数据读出送给CPU。这里的地址指的是物理地址（Physical Address），在本书后面的部分还会介绍逻辑地址（Logical Address）。

图1-16所示为存储器中部分存储单元的地址及内容。这里的地址和内容都用十六进制表示。

在一些工具软件中，常用图1-17所示的格式紧凑显示存储器内容。

最左边表示存储器的地址。每一行可显示16个字节的内容，字节间用空格隔开，前后8个字节之间用连字符隔开。在这种格式中，全部使用十六进制数表示。在Intel汇编语言语法中，规定十六进制数以0～9数字开头，以H结尾。因此，若1个十六进制数以A～F（大小写任意）开头，则在前应加0，例如，十六进制数E0应表示为0E0H。但图1-17中的所有十六进制数并未加H，这是因为这些软件显示存储器内容时，默认为十六进制数形式。

从中可知，00001000H单元中的内容为25H,00001001H单元中的内容为90H,00001047H单元中的内容为0FH,00001048H单元中的内容为67H。可以记为：

（00001048H）=67H，或 [00001048H]=67H

4．字节、字、双字

（1）字节

字节是PC机中内存存取信息的基本单位。1个字节包含8个二进制位，这8个二进制位按照自左至右的顺序称为第7、6、…、1、0位，相应位编号为b7、b6、…、b1、b0, b7是最高位，b0是最低位。如图1-18所示，25H占1个字节，它的8个二进制位从高到低依次是0、0、1、0、0、1、0、1，最高位为0，最低位为1。

在有些资料中，把数字的最高位简写为MSB（Most Significant Bit），最低位简写为LSB （Least Significant Bit）。

16位及16位以上的CPU可以在一次操作过程中处理更多的二进制位。例如：80386/80486/Pentium系列处理器可以进行32位的计算，8086、8088处理器可以进行16位的计算。因此，就需要使用字和双字的概念。

（2）字

1个字包含16个二进制位，即两个字节，分别称为高字节和低字节。其位编号为b15～b0, b15是MSB, b0是LSB。其中，b15～b8位是高字节，b7～b0位是低字节。显然，1个字占用两个存储单元。如图1-19所示，9025H是1个字，它的高字节是90H，低字节是25H。9025H的最高位为1，最低位也为1。

（3）双字

1个双字包含32个二进制位，其位编号为b31～b0, b31是MSB, b0是LSB。也可以说它包含4个字节或者2个字，这2个字分别称为高字和低字。显然，1个双字占用4个存储单元。

如图1-20所示，双字0ED69025H的高字为0ED6H，低字为9025H。

（4）四字

1个四字包含64个二进制位，其位编号为b63～b0。1个四字占用8个存储单元。

1.3.2 存储器访问

内存最基本的存取单位是字节，内存的物理地址也是以字节为单位的。在访问字节数据时，直接给出所在的地址号即可。但对于字、双字、四字数据类型，由于它们每个数据都要占用多个单元，从而对应多个地址，在访问时如何指定地址呢？数据的存储顺序又是如何确定的呢？

对于字、双字、四字数据类型，Intel CPU在访问这些数据时，只需给出最低单元的地址号，然后依次存取后续字节即可。Intel CPU采用低字节在前（Little Endian）的存储格式。即低地址中存放低字节数据，高地址中存放高字节数据，这就是有些资料中称为“逆序存放”的含义。本书在没有特别说明的情况下，均采用低字节在前的存储格式。

存储1个字占用两个连续单元，这个字的低字节存放在低地址中，高字节存放在高地址中。在存取这个字时，给出其低字节对应的地址即可。例如，把9025H存储到1000H地址中，则低字节25H存储到1000H单元，高字节90H存储到1001H单元，访问时，地址为1000H，如图1-21所示。

存储1个双字要占用4个连续地址，其低字存放在低地址中，高字存放在高地址中。而在存储每一个字时，同样采用低字节在前、高字节在后的存储方式。例如，将双字0ED69025H存储到00001000H地址中，要占用从该地址开始的4个连续字节。高字0ED6H存储到00001002H单元中，低字9025H存储到00001000H单元中，这个双字的地址为00001000H，如图1-22所示。

“低字节低地址、低字低地址”从表面上看起来是十分自然的，但是和我们的阅读习惯有很大的差距。例如，这是内存中的一部分数据：

00001000:25 90 D6 0E 25 40 FC 00 00 00 00 00 25 60 FC 00

从00001000H中取出1个字，应该是2590H，还是9025H呢？从00001000H中取出1个双字，应该是2590D60EH，还是0ED69025H呢？直观的答案是前者，符合我们的阅读习惯。但是，正确答案是后者，后者才符合Intel CPU“低字节在前、低字在前”的Little Endian的存储格式。

在Intel CPU体系结构中，不要求字的地址一定是偶数地址，双字的地址也不一定是4的倍数。对字型数据而言，若其存储在偶数地址，则称为对准字，否则称为未对准字。对双字型数据，若其存储地址是4的倍数，则称为对准双字，否则称为未对准双字。在读取和写入这些未对准的字和双字时，其效率要比读取和写入对准字和对准双字的低。在编程时，应尽量使用对准字和对准双字。

Intel系列CPU采用的是低字节在前（Little Endian）的存储格式，而PowerPC、SPARC、PARC等CPU则采用高字节在前（Big Endian）的存储格式，TCP/IP网络协议也采用Big Endian的方式传输数据，所以，有些资料也把Big Endian方式称为网络字节序。在Big Endian格式中，不允许出现未对准字和未对准双字，如果CPU存取1个未对准字，即它的地址不是偶数，则CPU会产生一个异常。当两台采用不同字节序的主机通信时，在发送数据前，必须经过字节序转换，使之成为网络字节序后再进行传输。

例1.4 对于以下数据，分别按Little Endian、Big Endian存储格式读出0000100C地址的字节、字、双字数据。

00001000:25 90 D6 0E 25 40 FC 00 00 00 00 00 25 60 FC 00

按Little Endian格式读出的字节、字、双字数据（后缀H表示是十六进制数）：

（0000100C）字节=25H

（0000100C）字=6025H

（0000100C）双字=00FC6025H

按Big Endian格式读出的字节、字、双字数据：

（0000100C）字节=25H

（0000100C）字=2560H

（0000100C）双字=2560FC00H

显然，Big Endian存储格式更符合人们的阅读习惯。但是，由于本书采用的编程环境是Intel CPU及其兼容系列，因此，在没有特别说明的情况下，均采用低字节在前（Little Endian）的存储格式。

例1.5 对于以下信息，按Little Endian存储格式读出字节、字、双字数据。

00002000:12 34 45 67 89 0A BC DE F0 00

则对于不同的数据类型，00002001号地址的数据是：

（00002001）字节=34H

（00002001）字=4534H

（00002001）双字=89674534H