随便讲讲“交叉存储技术”

　　我们知道，主存储器，也就是大多数人平时所说的“内存”，是现代计算机中必不可少的组成部分，用以存放操作系统和程序运行时所需的各种临时数据（当然，更详细地讲，这里所说的“临时数据”，其实是指指令及其所需的操作数）。平时，当我们破财去购买内存条时，那上面通常会标明这根内存条的最大容量;就以本人这台烂机为例，机箱内插着一根512M大小和另一根1024M大小的内存条（台湾人好像叫这个是“记忆体”，未详考），也就是说，本人这台老机总共可用的内存差不多是1.5G。很多人会以为，一根内存条就是一根内存条，它本身就是最小单元，但是，事实上，我们忽略了一个很重要的细节，那就是，存储器本身是由多块被称作是“随机访问存储器（RAM）”的芯片构成的，每块芯片都有固定大小的容量，但通常都不会太大;所以，本人那根512M的内存条极有可能是由多块RAM芯片所构成的。因此，存储器本身不是最小的单元，RAM芯片才是最小的存储单元。
　　正如刚才所讲的，许多块RAM芯片“拼接”在一起构成了一根内存条，那么，这些芯片是怎么“拼接”的呢，不会是杂乱无章的吧？当然不会是乱配鸳鸯啦，人家可是很守规则的，很本分的。实际上，每块芯片通常会采用“长度×宽度”的方式来表示大小，而以芯片构成的存储器也是要用这种方式来表示其容量的。比如，2K × 8 的RAM芯片表示它有2K长（具有2K=2×2¹⁰=2¹¹个字）和8位宽（每个字都是8位长的）。如果要用这种芯片去“拼接”出一块32K × 16的内存条的话，那么很显然，只能“拼接”成16行2列的形式：

图一

　　这就是“拼接”时所必须遵循的规矩——无论是RAM芯片，还是存储器，都必须是以“长度×宽度”形式表示的阵列。
　　不过，这和我们要讲的”交叉存储技术“之间有什么关系么？我们还是以图一中的存储器为例。如果这根内存条插在了一块主板上，而板载CPU可处理16位字，其操作系统也支持16位字，那么，如果机器是按字编址的话，就需要用两个芯片来处理一个字的全部宽度（16位）。这样，对于一块32K × 16的内存条而言，总共需要编址2¹⁵（32K=2⁵×2¹⁰=2¹⁵）个，每个地址需要有15位长;但对于内存条中的”一行“，即两块芯片”拼接“成的一块大小为2K×16的存储区域（我们称为一个存储器模块或存储器组），却只需要编址2¹¹个（2K=2×2¹⁰=2¹¹），每个地址需要有11位长。从物理上讲，一块2K×8的RAM芯片在出厂时只有11根地址线，我们不能把它增加到15位以满足我们的编址需要。
　　为了解决这种冲突，那些计算机的大牛们就想出了一种折衷的办法：对于前面的问题，倘若CPU得到一个15位长的地址，需要以此从主存储器中获取数据时，CPU会取地址的4位（或是高4位，或是低4位），来确定自己要从哪一“行”，也就是哪一个存储器模块中找数据，然后用剩余的11位来确定自己所需的数据究竟住在这一行中的哪个具体位置（还要强调，在这里，一个存储器模块是2K×16,而不是2K×8,这就是说，我们把两块芯片看成整体，然后把它称作是一个“模块”）。这种方法就是有名的“存储器交叉存储技术”，英文上叫做Memory Interleaving。这种技术将地址分成了两部分，一部分用于寻找存储器模块，另一部分用以找到在该模块中的具体位置。
　　但是，我们又有了一个疑问：这两部分究竟该怎么去分？一般来讲，就那么两种分法，一种是“低位交叉存储（Low-order Interleaving）”，还有一种是“高位交叉存储（High-order Interleaving）”。
　　高位交叉存储是一种非常简单，非常直观，非常容易理解的编址方法。这种方法要求使用地址的高位来选择存储器组（存储器模块）。对于前面的例子，那就是使用地址的高4位（最左边的4位）来选择一个模块，再用剩余的11位来找到具体的位置。
　　我们来给图一中的存储器中的每一行，也就是一个模块编上号，总共需要4位的二进制数来表示，如图二所示。

图二

　　这时，如果我们有一个15位的地址 0000 0000 0000 111（十进制6）,我们首先取其高4位，即 0000 ，可以以此确定该地址在第1个模块里。然后，剩余的11位标明，数据存放在第1个模块里的第7个位置上（标号从0开始）。

图三

　　可以看到，在“高位交叉存储”中，编址是按“从上到下”的顺序来进行的，中间没有任何“跳跃”，严格按照一个模块一个模块的顺序下去，呈现出“线性”的特点。
　　同样以图二为依据，并且我们得到的地址仍然是 0000 0000 0000 111，其低4位是 0111,我们可以确定我们要通过该地址寻找的数据就放在第8个模块里;剩余的11位，也即 0000 0000 000 表明，数据住在第8个模块里的第0个位置上。

图四

　　可见，同样的地址，如果编址模式不同，CPU找到的位置是不同的，所取到的数据，自然也就很有可能是不同的了。
　　我们还遗漏了什么吗？的确，笔者刚刚提到，“低位交叉存储”的一个很显著的特点就是它编址的方式是“跳跃的”而非“线性的”。这是什么意思？正所谓“一图胜千言”，看看下面的图您就明白了：

图五

　　这种方式可称作是“轮回式”的编址模式;在一个模块里编上号后，“跳跃”到下一个模块相应的位置上继续编号，如此循环往复，直到编完为止。
　　而“高位交叉存储”则简单多了，因为它是顺序、线性的：

图六

额外的讨论：连续地址与连续内存空间

　　在我们最初学习C语言的那段噩梦般的时光里，我们常常会听到“连续的地址”、“连续的内存空间”这样的语句，比如，“定义一个数组，编译器就会给它分配一片连续的存储空间”等。以前，我们会毫不犹豫地认为，“连续的地址”就意味着在物理上的一块连续的内存空间，当地址加 1 后，我们仍处在这块物理内存之中。但是现在，一个问号出现在我们的头顶：连续的地址难道真的就是一一映射到一片连续的物理内存空间么？正如我们之前所讲的那样，如果编址模式是“高位交叉存储”的话，那么前面的疑问句就可以成为陈述句。毫无疑问，“高位交叉存储”那“顺序式”的编址模式使得连续的地址等同于连续的内存空间。
　　但是，对于“低位交叉存储”，情况就不同了。看看图五,假如编译器给我分配了一定的内存空间，且这些空间的地址分别是0,1,2,3,4。照理说，它们的确是获得了连续的地址，可是很明显，它们并不“住”在一起，它们并不是一块连续的内存空间，而是相互独立且离散的五块空间。因此，“低位交叉存储”就使得地址连续不等同于空间连续。
　　另外，如果要向内存写入16个字的话，对以“高位交叉存储”模式来进行编址的情况，这16个字只能占用第一个存储器模块里16个字的大小，而不会对其它模块产生影响;但在“低位交叉存储”时，这十六个字会被分别写入这十六个存储器模块中，且每个模块些一个字。
　　“使用低位交叉存储方式并配合相应的总线技术，可以在一个存储器模块的读写操作完成前，就开始另一个存储器模块的读写操作。也就是在存储器模块之间的读写操作可以相互重叠。” Linda Null和Julia Lobur在《计算机组成与体系结构》中这样讲。不过本人才疏学浅，不能完全理解她们的意思，只好留到以后去解决了。