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上篇文章讲了CPU在内存中读取数据时，为了提高读取速度，在中间增加了一层缓存，即高速缓存Cache。

这篇文章我们的角度下放，重点来看一下程序在运行过程中，内存是如何管理的。

内存问题

计算机出现的早期，其工作内容比较简单，同一时间只做一个计算任务，然后输出结果。

但随着人类需求的提高，人们希望计算机能同时计算多个任务，提高计算机的使用率。逐渐地，多任务计算机出现，但要想同时运行多个任务，那各任务之间如何分配和使用计算机资源呢？

为了解决这个问题，人类发明出操作系统，所有的计算机资源交由操作系统统一管理，各程序需要使用资源要向操作系统提出申请，操作系统按照某种规则统一分配和管理，同时保证资源的合理分配。

内存是一段连续的地址空间，如果多个程序同时运行，对于内存的时候一不小心会不会侵入了别的程序，导致运行结果产生错误？那么如何合理地分配和保护内存资源，变得十分重要。

我们都知道，一段程序要想运行必须加载到内存，然后CPU从内存获取指令和数据进行逻辑运算和处理，但如果一段程序运行时需要的内存非常大，超过了计算机的物理内存，这种程序还能否运行呢？

我们整理一下，针对内存资源遇到的问题：

• 多个程序同时运行，如何保证各程序之间内存资源分配合理，且资源互不干扰？
• 程序运行能否突破物理内存的大小？

基于这2个问题，我们来看一下，计算机是如何解决这些问题的，这其中涉及硬件与操作系统共同的协作。

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从这篇文章开始，我们开始讲解存储器相关的知识。存储器在计算机中处于非常重要的位置，其中内存最为重要，其涉及到的内容主要包含高速缓存Cache和虚拟内存两大块，这篇文章先来看高速缓存Cache的基本原理。

存储器层次化结构

存储器有很多种类，我们常见的有内存、磁盘，还有平时看不到的集成在CPU内部的寄存器、高速缓存等。

正常来说，存储器的容量和性能应该伴随着CPU的速度和性能提升而提升，以匹配CPU的数据处理。但随着时间的推移，CPU和存储器在性能上的发展差异越来越大，存储器在性能增长越来越跟不上CPU性能发展的需要。

那怎么办呢？

为了缩小存储器和CPU之间的性能差距，通常在计算机内部采用层次化的存储器体系结构，以此来发挥出存储器的综合性能。

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之前的文章讲完了数字在计算机内部的表示方式，那英文、中文字符在计算机内部是如何表示的呢？这篇文章我们来看字符的表示方式。

西文字符

西文字符主要由拉丁字母、数字、标点符号及一些特殊符号组成，它们统称为字符，所有字符的集合叫做字符集。

但字符不能直接在计算机内部处理，必须对字符进行数字化编码，转换成二进制0/1序列，因此构成了字符和数字化编码对应的代码表，简称码表，码表中的字符与代码一一对应。

世界各国都有自己的语言，即各国都有自己的字符，每个国家的字符组合起来也就产生了多种字符集。

由于计算机是美国人发明的，所以对于英文字符，美国人制定了一个字符和二进制对应的码表，这个码表就是ASCII码，即美国标准信息交换码（American Standard Code for Information Interchange）。

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我们知道计算机中数字都是使用的二进制表示和运算，对于我们熟悉的十进制数字，可以通过数值进制公式进行转换后计算和显示。

但除了这种编码方式之外，计算机有时为了显示和计算方便，对十进制还定义了新的编码方式：ASCII码字符表示、BCD码表示。这篇文章我们来了解一下这2种编码方式的特点。

ASCCI码字符表示

如果只是对十进制数进行打印或显示，那么可以把十进制数看成字符串，直接用ASCII码表示，0~9分别对应ASCII码的30H~39H，这种表示方式，1位十进制用8位二进制数表示。

用ASCII码表示的十进制又分为前分隔数字串和后嵌入数字串。

前分隔数字串

前分隔数字串将符号位单独用一个字节表示，放在数字串之前。

正号（+）用ASCII码2B(H)表示，符号（-）用2D(H)表示。

例如十进制数+236用前分隔数字串表示为0010 1011 0011 0010 0011 0011 0011 0110，对应的十六进制为2B 32 33 36，在内存中占用4个字节。

十进制数-2369用前分隔数字串表示为0010 1101 0011 0010 0011 0011 0011 0110 0011 1001，对应的十六进制为2D 32 33 36 39，在内存中占用5个字节。

可见，十进制数每增加一位，就要多一个字节表示对应数字。

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上一讲我们讲解数字用定点数表示的方式，但用定点数表示小数会有2个问题：数值范围有限和精度范围有限，所以在计算机中一般小数使用浮点数表示。这篇文章我们来讲解浮点数的表示。

什么是浮点数

首先我们先来看，什么是浮点数？

定点数的「定点」指的是约定小数点位置固定不变，然后对数字进行表示。那浮点数的「浮点」含义也就容易理解了：在对数字进行表示时，小数点的位置可以是漂浮不定的。

这怎么理解呢？

浮点数采用一种科学计数法的方式表示，如果要表示十进制小数8.345，用科学计数法表示，可以有多种方式：

1
2
3
4

8.345 = 8.345 * 10^0
8.345 = 83.45 * 10^-1
8.345 = 834.5 * 10^-2
...

同样，对于二进制数，也可以用科学计数法表示，把基数10换成2即可。

看到了吗？用这种科学计数法的方式表示小数时，小数点的位置变得“漂浮不定“了，这就是相当于定点来说，浮点数的名字来源。

当然，我们没必要纠结这个名字为什么非要这么起，理解其表示方法才是关键。

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整数和小数是如何在计算机中表示的？

我们平时说到整数就说是定点数，说到小数就说是浮点数，它们之间是对等的么？
答案其实是错的。

定点数、浮点数都是数字的一种表现形式，定点数也可以表示小数，浮点数也可以表示整数。
这篇文章我们先来讲解定点数到底是如何表示数字的。

什么是定点数

首先我们分析一下「定点」究竟是什么意思？

我们熟知的数字分整数和小数，小数的精度范围要比整数精度范围大，所以计算机需要既能表示整数，也能表示小数，关键点在于这个小数点如何表示。

在制造计算机时，人们想出一种表示方法，即约定机器中小数点位置，且这个位置固定不变，小数点前、后部分分别表示，组合起来就能表示一个小数，这种表示方式叫做「定点」表示法，用这种方法表示的数字叫做「定点数」。

也就是说「定」是指固定的意思，「点」是指小数点，小数点位置固定即定点名字的来源。

定点数如何表示

既然定点只是表示数字的一种方式，那试想，定点表示法可以表示整数吗？可以表示小数吗？

答案是可以的。

定点表示纯整数相当于把小数点放到最后一位，例如整数100，小数点其实是在最后一位，所以忽略不写。

定点表示小数分2种情况：

• 纯小数，例如：0.123，小数点在最高位
• 整数+小数：例如1.24、10.34，小数点在指定某个位置

对于纯整数、纯小数的表示，由于小数点在最低位和最高位，其表示原理是相同的，只需要进行对应的进制转换表示即可。

对于整数+小数，用定点表示时，需要约定小数点的位置，才能确定表示后的结果。

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信息的二进制编码

在计算机内部，所有信息都是采用二进制进行编码和计算的，有没有想过，为什么采用这种方式？

其原因在于二进制只有两种状态，制造一个只有两个稳定状态的物理器件要比多个稳定状态的物理期间容易得多，使用高、低电位或脉冲有、无表示都很方便，能够很可靠的表示“0”和“1”。

如果都采用二进制计算，那么我们平时使用的数字、符号甚至图片和视频，都应该通过某种方式转换成二进制，
才能得以让计算机运算。这种转换方式称为“编码”。

我们人类角度看到的数据到计算机内部的数据转换如下：

这篇文章，我们先来分析数值型数据的进制与转换规则。

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如果你想对计算机的组成和系统结构有个系统的了解，推荐你看一本书，叫做《深入理解计算机系统》。这本书也是计算机界的经典书籍，如果能吃透这本书里的内容，你会对计算机系统和软件开发有一个全新的认识。

由于这本书不太容易学习，有很多程序员买了这本书，但可能读了一两个章节发现太过枯燥理解不了，便放下珍藏了。

我和你一样，每次拿起这本书都刻意让自己学下去，但都败下阵来。

后来在知乎发现有人指导如何阅读这本书时，有网友推荐了国人写的教材，与《深入理解计算机系统》内容非常类似，但更易读。

这本书的作者叫袁春风，她是南京大学计算机系的教授，写过2本书《计算机组成与系统结构》（2010年出版)、《计算机系统基础》(2014年出版)，两者内容差不多，第二本更像是第一本的升级版。

在阅读这2本书时，发现还是比较容易理解的，这个系列整理出了相关知识点，加深记忆以备忘。

计算机的功能和特性

我们现在使用计算机能做的事情非常多，能够看网页、听音乐、看视频、社交聊天，这背后其实都是对信息的处理。

计算机背后是如何工作的呢？我们先来看计算机的一个简单定义：

计算机是一种能自动化对数字信息进行运算和逻辑处理的高速处理装置，计算机处理的对象都是数字化信息。

计算机的基本功能包括以下3个方面：

• 数据处理：计算机最基本的功能，可以计算加减乘除等运算，也可以处理文字、数字、音乐、视频信息。
• 数据存储：计算机能够自动工作的最基本保证，数据和程序事先被存储好，在需要时被取出自动执行。
• 数据传送：计算机内部各功能部件之间的数据传输，以达到信息交换，计算机外部连接使得信息得以传输到另一台计算机，从而构建出了计算机网络。

有了这些基本功能，计算机中肯定需要有对数据处理、数据存储、数据传送相对应的功能部件，它们分别是：算术逻辑运算器、存储器、总线和IO接口。

计算机主要的核心部件都采用高速电子元器件制造，处理速度极快，这就为运算速度提供了基础保证。

计算机可以处理各种信息，应用也极其广泛，只要现实世界中某个问题能找到相应的算法，就能编写成程序通过计算机执行算出结果，这为计算机的准确性和智能化提供了重要的基础。