¿Cuántas direcciones de memoria puede contener la memoria RAM en mi computadora?

Algunos días es divertido observar el nivel superficial de la experiencia informática, y otros días es divertido profundizar en el funcionamiento interno. Hoy estamos analizando la estructura de la memoria de la computadora y la cantidad de cosas que puede empaquetar en una memoria RAM..

La sesión de Preguntas y Respuestas de hoy nos llega por cortesía de SuperUser, una subdivisión de Stack Exchange, un grupo de sitios web de preguntas y respuestas impulsado por la comunidad..

La pregunta

El lector superusuario Johan Smohan está lidiando con la forma en que el tipo de procesador y el tamaño de la memoria trabajan juntos para producir un número total de direcciones. El escribe:

¿Cuántas direcciones de memoria podemos obtener con un procesador de 32 bits y 1 GB de RAM y cuántas con un procesador de 64 bits??

Creo que es algo como esto:

1 GB de ram dividido por 32 bits 4 bits (?) Para obtener el número de direcciones de memoria?

Leí en Wikipedia que 1 dirección de memoria tiene 32 bits de ancho o 4 octetos (1 octeto = 8 bits), en comparación con un procesador de 64 bits donde 1 dirección de memoria o 1 entero tiene 64 bits de ancho u 8 octetos. Pero tampoco sé si lo entendí bien..

Estos son los tipos de preguntas que pueden mantener a un friki curioso en la noche. Cuántas direcciones están disponibles bajo cada uno de los sistemas hipotéticos de Johan?

La respuesta

El colaborador de SuperUser Gronostaj ofrece información sobre cómo se divide y utiliza la RAM:

Respuesta corta: El número de direcciones disponibles es igual al menor de esos:

Tamaño de memoria en bytes

El mayor entero sin signo que se puede guardar en la palabra de la máquina de la CPU

Larga respuesta y explicación de lo anterior.

La memoria consta de bytes (B). Cada byte consta de 8 bits (b).
1 B = 8 b 
1 GB de RAM es en realidad 1 GiB (gibibyte, no gigabyte). La diferencia es:
1 GB = 10 ^ 9 B = 1 000 000 000 B 1 GiB = 2 ^ 30 B = 1 073 741 824 B 
Cada byte de memoria tiene su propia dirección, sin importar qué tan grande sea la palabra de la máquina CPU. P.ej. La CPU Intel 8086 era de 16 bits y se dirigía a la memoria por bytes, al igual que las CPU modernas de 32 y 64 bits. Esa es la causa del primer límite: no puede tener más direcciones que bytes de memoria.

La dirección de la memoria es solo una cantidad de bytes que la CPU debe omitir desde el principio de la memoria para llegar a la que está buscando.

Para acceder al primer byte tiene que omitir 0 bytes, por lo que la dirección del primer byte es 0.

Para acceder al segundo byte tiene que saltar 1 byte, por lo que su dirección es 1.

(Etcétera… )

Para acceder al último byte, la CPU omite 1073741823 bytes, por lo que su dirección es 1073741823.

Ahora tienes que saber lo que realmente significa 32 bits. Como mencioné antes, es el tamaño de una palabra de máquina.

La palabra máquina es la cantidad de memoria que usa la CPU para guardar números (en RAM, caché o registros internos). La CPU de 32 bits usa 32 bits (4 bytes) para mantener los números. Las direcciones de memoria también son números, por lo que en una CPU de 32 bits, la dirección de memoria consta de 32 bits.

Ahora piense en esto: si tiene un bit, puede guardar dos valores: 0 o 1. Agregue un bit más y tendrá cuatro valores: 0, 1, 2, 3. En tres bits, puede guardar ocho valores : 0, 1, 2 ... 6, 7. Esto es realmente un sistema binario y funciona así:
Binario Decimal 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001 10 1010 11 1011 12 1100 13 1101 14 1110 15 1111 
Funciona exactamente como la suma habitual, pero el dígito máximo es 1, no 9. El decimal 0 es 0000, luego sumas 1 y obtienes 0001, agrega uno una vez más y tienes 0010. Lo que pasa aquí es como tener decimal 09 y agregando uno: cambias de 9 a 0 e incrementas el siguiente dígito.

En el ejemplo anterior, puede ver que siempre hay un valor máximo que puede mantener en un número con un número constante de bits, porque cuando todos los bits son 1 y trata de aumentar el valor en 1, todos los bits se convertirán en 0, por lo que se rompe número. Se llama desbordamiento de enteros y causa muchos problemas desagradables, tanto para los usuarios como para los desarrolladores..
 11111111 = 255 + 1 ----------- 100000000 = 0 (9 bits aquí, por lo que 1 se recorta) 
Para 1 bit el mayor valor es 1,

2 bits - 3,

3 bits - 7,

4 bits - 15

El mayor número posible es siempre 2 ^ N-1, donde N es el número de bits. Como dije antes, una dirección de memoria es un número y también tiene un valor máximo. Es por eso que el tamaño de la palabra de la máquina también es un límite para la cantidad de direcciones de memoria disponibles: a veces su CPU no puede procesar números lo suficientemente grandes como para ocupar más memoria.

Así que en 32 bits puede mantener los números del 0 al 2 ^ 32-1, y eso es 4 294 967 295. Es más que la mejor dirección en 1 GB de RAM, por lo que en su caso específico, la cantidad de RAM será el factor limitante.

El límite de RAM para la CPU de 32 bits es teóricamente 4 GB (2 ^ 32) y para la CPU de 64 bits es 16 EB (exabytes, 1 EB = 2 ^ 30 GB). En otras palabras, la CPU de 64 bits podría abordar Internet completa ... 200 veces;) (estimado por WolframAlpha).

Sin embargo, en los sistemas operativos de la vida real, las CPU de 32 bits pueden abordar aproximadamente 3 GiB de RAM. Esto se debe a la arquitectura interna del sistema operativo: algunas direcciones están reservadas para otros fines. Puede leer más sobre esta llamada barrera de 3 GB en Wikipedia. Puedes levantar este límite con la Extensión de Dirección Física.

Hablando de direccionamiento de memoria, hay algunas cosas que debo mencionar: memoria virtual, segmentación y paginando.

Memoria virtual

Como @Daniel R Hicks señaló en otra respuesta, los sistemas operativos usan memoria virtual. Lo que significa es que las aplicaciones en realidad no operan en direcciones de memoria reales, sino en las proporcionadas por el SO.

Esta técnica permite que el sistema operativo mueva algunos datos de la RAM a un llamado Pagefile (Windows) o Swap (* NIX). La HDD es algunas magnitudes más lenta que la RAM, pero no es un problema grave para los datos a los que se accede raramente y permite que el sistema operativo proporcione a las aplicaciones más RAM de la que realmente tiene instalada..

Paginacion

De lo que hablamos hasta ahora se llama esquema de direccionamiento plano..

La paginación es un esquema de direccionamiento alternativo que le permite abordar más memoria que normalmente podría utilizar con una palabra de máquina en un modelo plano.

Imagina un libro lleno de palabras de 4 letras. Digamos que hay 1024 números en cada página. Para direccionar un número, debes saber dos cosas:

El número de página en la que se imprime esa palabra..

¿Qué palabra en esa página es la que estás buscando?.

Ahora, así es exactamente como las modernas CPU x86 manejan la memoria. Se divide en 4 páginas KiB (1024 palabras de máquina cada una) y esas páginas tienen números. (en realidad las páginas también pueden ser 4 MiB grandes o 2 MiB con PAE). Cuando desee acceder a la celda de memoria, necesita el número de página y la dirección en esa página. Tenga en cuenta que cada celda de memoria está referenciada por exactamente un par de números, que no será el caso para la segmentación.

Segmentación

Bueno, este es bastante similar a la paginación. Se usó en Intel 8086, solo para nombrar un ejemplo. Los grupos de direcciones ahora se denominan segmentos de memoria, no páginas. La diferencia es que los segmentos pueden superponerse y se superponen mucho. Por ejemplo, en 8086, la mayoría de las celdas de memoria estaban disponibles en 4096 segmentos diferentes.

Un ejemplo:

Digamos que tenemos 8 bytes de memoria, todos con ceros excepto el 4to byte que es igual a 255.

Ilustración para modelo de memoria plana:
 _____ | 0 | | 0 | | 0 | | 255 | | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | ----- 
Ilustración para la memoria paginada con páginas de 4 bytes:
 PAGE0 _____ | 0 | | 0 | | 0 | PAGE1 | 255 | _____ ----- | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | ----- 
Ilustración para la memoria segmentada. con segmentos de 4 bytes desplazados por 1:
 SEG 0 _____ SEG 1 | 0 | _____ SEG 2 | 0 | | 0 | _____ SEG 3 | 0 | | 0 | | 0 | _____ SEG 4 | 255 | | 255 | | 255 | | 255 | _____ SEG 5 ----- | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | _____ SEG 6 ----- | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | _____ SEG 7 ----- | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | _____ ----- | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | ----- ----- ----- ----- 
Como puede ver, el 4to byte puede direccionarse de cuatro maneras: (direccionando desde 0)

Segmento 0, desplazamiento 3

Segmento 1, offset 2

Segmento 2, desplazamiento 1

Segmento 3, offset 0

Siempre es la misma celda de memoria..

En las implementaciones de la vida real, los segmentos se desplazan en más de 1 byte (para 8086 era de 16 bytes).

Lo malo de la segmentación es que es complicado (pero creo que ya lo sabes;) Lo bueno es que puedes usar algunas técnicas inteligentes para crear programas modulares..

Por ejemplo, puede cargar algún módulo en un segmento, luego simular que el segmento es más pequeño de lo que realmente es (lo suficientemente pequeño como para sostener el módulo), luego elegir el primer segmento que no se superponga con ese pseudo-más pequeño y cargar el siguiente módulo, y así sucesivamente. Básicamente, lo que obtienes de esta manera son páginas de tamaño variable..

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