Память и накопители

С 32-битными адресами процессор может обозначить 4 294 967 296 байтов, ровно 4 GiB. Выключи питание, и оперативная память всё это забудет.

«В моём ноутбуке 16 ГБ памяти, значит, в нём поместится 16 ГБ фотографий». В этой фразе перепутаны две разные части, и сама реклама ноутбука показывает почему. В ней указаны два размера, например 16 ГБ памяти и 512 ГБ накопителя. Память, или оперативная память (RAM), хранит программы и данные, с которыми процессор работает прямо сейчас. Накопитель, твердотельный (SSD) или более старый жёсткий диск, хранит твои файлы, когда питание выключено. Фотографии лежат на стороне 512 ГБ. 16 ГБ служат рабочим пространством, куда попадает фотография, пока ты её редактируешь.

Почему оперативная память забывает всё без питания

Обычная оперативная память хранит каждый бит как крошечный заряд, который утекает, если его не обновлять много раз в секунду, поэтому при отключении питания всё её содержимое теряется. Именно это и называется энергозависимостью. Накопитель сохраняет данные без питания. SSD удерживает заряд в ячейках флеш-памяти, которые хранят его годами, а жёсткий диск записывает биты в виде намагниченных участков на вращающихся пластинах. Накопитель гораздо больше и дешевле в пересчёте на байт, но обращение к нему намного медленнее, поэтому перед запуском программы копируются из накопителя в оперативную память. Это копирование и происходит, пока приложение пишет, что загружается.

Как процессор находит один байт среди миллиардов

Память представляет собой длинный ряд ячеек, в каждой по одному байту, и у каждой ячейки есть номер, который называется адресом и начинается с 0. Чтобы прочитать или записать данные, процессор выставляет адрес на группу проводов и получает обратно байт, который там хранится. Число битов адреса определяет, до какого объёма памяти можно добраться. Четыре бита адреса, как в игрушечном компьютере, дают 2 в степени 4 = 16 ячеек. Шестнадцать битов дают 65 536. Тридцать два бита дают 4 294 967 296 байтов, ровно 4 GiB, и поэтому старые 32-битные системы не могли использовать больше 4 GiB оперативной памяти. Современные 64-битные процессоры могут обозначить гораздо больше.

Ячейка понятия не имеет, что значат её биты. В игрушечном компьютере 8 бит 00000100 в ячейке данных означают число 4, но если прочитать те же биты как команду, они означают HALT 4. Что именно, решает только то, как процессор обращается к ячейке: как к следующей команде или как к данным, которые указаны в команде. Это прямо следует из идеи фон Неймана хранить и то и другое в одной памяти. Из-за этого же ошибка, которая пишет по неправильному адресу, может сломать всю программу.

Каждый следующий уровень больше и медленнее

Быстрая память дорогая, поэтому в компьютерах она устроена уровнями. Ближе всего к схемам находятся регистры: несколько десятков значений, с которыми процессор работает напрямую, как с аккумулятором в игрушке. Дальше идут кэши, небольшие блоки быстрой памяти прямо на кристалле процессора. Обычно их называют L1, L2 и L3, и они хранят копии недавно использованных участков оперативной памяти. Затем идёт оперативная память, потом SSD или жёсткий диск, а за ними сеть. Каждый следующий уровень больше и медленнее. Программа работает быстро, когда почти всё нужное ей уже лежит на верхних уровнях. Поэтому читать данные по порядку обычно быстрее, чем прыгать с места на место.