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32位的CPU与64位CPU
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32位的CPU与64位CPU
以下内容摘自维基百科 64 位 CPU 是指 CPU 内部的通用寄存器的宽度为 64 比特支持整数的 64 比特宽度的算术与逻辑运算。那么 32 位 CPU 同理。 一个 CPU联系外部的数据总线与地址总线可能有不同的宽度术语“64位”也常用于描述这些总线的大小。不过这一术语也可能指电脑指令集的指令长度或其它的数据项。去掉进一步的条件“64位”电脑架构一般具有 64 位宽的整数型寄存器它可支持 64 位“区块”的整数型数据。
64 位架构无疑可应用在需要处理大量数据的应用程序如数字视频、科学运算、和早期的大型数据库。
那么 32 位 CPU 与 64 位 CPU 到底有什么区别
数据处理能力增强64 位 CPU 通用寄存器的位宽增加一倍这也就意味着 64 位 CPU 可以一次性处理 64bit 的整形数据内存寻址能力增强如果是 32 位 CPU 的话它的地址总线最多不会超过 32那么它所能达到的寻址范围也就不会超过 2 的 32 次方字节存储单元以字节为单位也就是 4GB而如果是 64 位处理器的话它所能达到的寻址范围理论上就会是 2 的 64 次方字节上亿 GB。
补充一般处理器多少位是指通用寄存器的长度当然数据线需要与之相同地址线则不需要与之相等好比 intel 64 位处理器则是 40 位地址总线最大支持 1TB 的内存寻址。 32位操作系统与64位操作系统
平时我们所说的 32 位操作系统也被称为 X86 系统x64 代表 64 位操作系统关于它的简略解释为什么32位的计算机系统不叫x32而叫x86呢
关于 32 位操作系统与 64 位操作系统的区别如下
32 位操作系统既可以运行在 32 位的 CPU 上也可以运行在 64 位的 CPU 上只不过运行在 64 位 CPU 上的话就有点“大马拉小车”的感觉了——无法发挥出 CPU 的全部能力。64 位操作系统只能运行在 64 位的 CPU 上因此如果一个操作系统是 64 位那么它的 CPU 架构也必定是 64 位。64 位操作系统相比于 32 位操作系统的优势正如上述 64 位 CPU 与 32 位 CPU 的优势一样。 总线结构与主板构成
注以下两部分内容摘抄自32位系统最大只能支持4GB内存之由来~
在解决本文标题所述的问题之前我们再来了解一些关于总线结构与主板构成的相关知识。
说起总线大家肯定不陌生而且大家平时肯定跟它打过交道我们在用U盘拷贝数据的时候先要把U盘通过USB接口与电脑相连才能拷贝。USB接口实际上就是一种总线一般称这种总线为USB总线也叫做通用串行总线。在很久之前是没有USB总线的那个时候每个外设各自采用自己的接口标准举个最简单的例子鼠标生产厂商采用鼠标特有的接口键盘生产厂商用键盘特有的接口这样一来的话PC机上就必须提供很多接口这样一来增加了硬件设计难度和成本直到后来USB接口的出现它统一了很多外设接口的标准不仅使得用户可以很方便地连接一些外设更增强了PC的可扩展性。所以现在大家看到的鼠标、键盘、U盘、打印机等等这些外设都可以直接通过USB接口直接插到电脑上的。
在计算机系统中总线是非常重要的一个概念正是因为有了总线所有的组成部件才能一起正常协同分工合作。在很久以前的PC机中采用的是三总线结构即数据总线、地址总线、控制总线。它们分别用来传输不同类型的数据数据总线用来传输数据地址总线用来传输地址控制总线用来传输一些控制信号。
随着时代的发展这种简单的总线结构逐渐被淘汰。下面这幅图是现代计算机采用的结构 事实上这也是现代主板所采用的结构当然可能部分地方有略微不同大体结构是差不多的仔细观察过主板构成的朋友可能对上面一幅图很熟悉。在主板上主要有两大主要部分北桥North Bridge也称Host Bridge和南桥South Bridge。北桥主要负责CPU和内存、显卡这些部件的数据传送而南桥主要负责I/O设备、外部存储设备以及BIOS之间的通信。现在有些主板已经没有北桥了因为芯片厂商已经把北桥所负责的功能直接集成到CPU中了不过暂且我们以上副图的模型来讨论。
在上副图中我没有画出数据总线和地址总线等因为在某些总线标准中它们被集成到一起了比如在PCI总线中地址总线和数据总线总是分时复用的也就是说假如PCI总线有32位数据总线这32位总线在某个时刻可以充当数据总线的作用在下一时刻可以充当地址总线的作用。有的总线同时提供了数据总线和地址总线。
下面来说一下几个主要总线和南北桥的作用
FSB总线即前端总线Front Side BusCPU和北桥之间的桥梁CPU和北桥传递的所有数据必须经过FSB总线可以这么说FSB总线的频率直接影响到CPU访问内存的速度。北桥北桥是CPU和内存、显卡等部件进行数据交换的唯一桥梁也就是说CPU想和其他任何部分通信必须经过北桥。北桥芯片中通常集成的还有内存控制器等用来控制与内存的通信。现在的主板上已经看不到北桥了它的功能已经被集成到CPU当中了。PCI总线PCI总线是一种高性能局部总线其不受CPU限制构成了CPU和外设之间的高速通道。比如现在的显卡一般都是用的PCI插槽PCI总线传输速度快能够很好地让显卡和CPU进行数据交换。南桥主要负责I/O设备之间的通信CPU要想访问外设必须经过南桥芯片。
在了解了这些基础东西之后下面来讲解一下为何 32 位系统最大只支持 4GB 内存。是的就算是 64 位的 CPU装载 32 位的操作系统它的寻址能力还是 4GB。 对于标题的解释
在使用计算机时其最大支持的内存是由操作系统和硬件两方面决定的。
先说一下硬件方面的因素在上面已经提到了地址总线在计算机中 CPU的地址总线数目 决定了CPU 的 寻址 范围这种由地址总线对应的地址称作为物理地址。假如CPU有32根地址总线一般情况下32位的CPU的地址总线是32位也有部分32位的CPU地址总线是36位的比如用做服务器的CPU那么提供的可寻址物理地址范围 为 2324GB在这里要注意一点我们平常所说的32位CPU和64位CPU指的是CPU一次能够处理的数据宽度即位宽不是地址总线的数目。自从64位CPU出现之后一次便能够处理64位的数据了其地址总线一般采用的是36位或者40位即CPU能够寻址的物理地址空间为64GB或者1T。在CPU访问其它任何部件的时候都需要一个地址就像一个快递员送快递没有地址他是不知道往哪里送达的举个例子CPU想从显存单元读取数据必须知道要读取的显存单元的实际物理地址才能实现读取操作同样地从内存条上的内存单元读取数据也需要知道内存单元的物理地址。换句话说CPU访问任何存储单元必须知道其物理地址。
用户在使用计算机时能够访问的最大内存不单是由CPU地址总线的位数决定的还需要考虑操作系统的实现。实际上用户在使用计算机时进程所访问到的地址是逻辑地址并不是真实的物理地址这个逻辑地址是操作系统提供的CPU在执行指令时需要先将指令的逻辑地址变换为物理地址才能对相应的存储单元进行数据的读取或者写入注意逻辑地址和物理地址是一一对应的。
对于32位的windows操作系统其逻辑地址编码采用的地址位数是32位的那么操作系统所提供的逻辑地址寻址范围是4GB而在intel x86架构下采用的是内存映射技术(Memory-Mapped I/O, MMIO)也就说将4GB逻辑地址中一部分要划分出来与BIOS ROM、CPU寄存器、I/O设备这些部件的物理地址进行映射那么逻辑地址中能够与内存条的物理地址进行映射的空间肯定没有4GB了看下面这幅图就明白了 所以当我们装了32位的windows操作系统即使我们买了4GB的内存条实际上能被操作系统访问到的肯定小于4GB一般情况是3.2GB左右。假如说地址总线位数没有32位比如说是20位那么CPU能够寻址到1MB的物理地址空间此时操作系统即使能支持4GB的逻辑地址空间并且假设内存条是4GB的能够被用户访问到的空间不会大于1MB当然此处不考虑虚拟内存技术所以用户能够访问到的最大内存空间是由硬件和操作系统两者共同决定的两者都有制约关系。
于64位的操作系统其逻辑地址编码采用的地址位数是40位能够最大支持1T的逻辑地址空间。考虑一种情况假如CPU是64位的地址总线位数是40位操作系统也是64位的逻辑地址编码采用的地址位数也是40位内存条大小是64GB那么是不是内存条的64GB全部都能被利用了呢答案是不一定因为这里面还要考虑一个因素就是内存控制器内存控制器位于北桥之内现在基本都是放在CPU里面了内存控制器的实际连接内存的地址线决定了可以支持的内存容量也就是说内存控制器与内存槽实际连接的地址线如果没有40位的话是无法完全利用64GB的内存条的存储空间的。当然对于内存控制器这个问题几乎可以不用考虑因为现在大多数的内存控制器至少都采用的是40位地址总线。 总结
对于以上所述我进行一下简单的总结 一个计算机它的内存访问能力是由硬件和软件共同决定的。硬件层面就指 CPU 的寻址能力也就是地址总线的个数。软件层面指的就是操作系统。实际上我们进程在进行内存访问的时候访问的都是逻辑地址而逻辑地址是由操作系统提供的。对于 32 位的操作系统其逻辑地址编码采用的地址位数是 32 位那么操作系统所提供的逻辑地址寻址范围就是 4GB。从这个方面来说纵使你的 CPU 实际寻址能力为 2 的 64 次方由于操作系统只提供 4GB 的逻辑地址那 CPU 透过操作系统所能访问到的内存大小也就只有4GB了。 对与上述总结我还有一个简单的补充
在和我的大神小伙伴讨论的时候他对于“为什么 64 位 CPU 装载 32 位操作系统它的寻址能力还是 4GB”这个问题的解答只说了一句话“32 位操作系统没有对应 64 位的寻址指令”。在细细品味之后觉得颇有道理我对于这句话的浅显理解是32 位操作系统没有对应 64 位的寻址指令所以它不能提供 4GB 以上的逻辑地址所以 64 位 CPU 透过 32 位操作系统它的寻址能力依旧是 4GB。 参考阅读
维基百科64位
32位系统最大只能支持4GB内存之由来
