微处理器寻址范围

最后更新于 2016-04-28 01:42:00

在此之前，让我们带着下面这个问题来看这篇文章：64 位处理器所支持的最大内存(寻址范围)为多少？

处理器

处理器（CPU）担负着整个计算机系统的核心任务执行责任，所以我们经常关心它的运算处理能力，也就是 CPU 的性能。

微处理器

我们经常所说的 Inter、AMD 两大常见品牌厂商出售的桌面端的处理器称为处理器（CPU），而把移动端嵌入式系统中 ARM 架构的处理器称为微处理器（MPU）。事实上，几乎电子设备上均有微型处理器，例如路由器、智能家电等等，只不过以上所提到的离我们最近而且我们也最熟悉。

CPU 的性能涉及到多个方面，我们常人最关心的一般就是主频，也就是 CPU 的时钟频率；L1、L2 缓存，这个可能部分人还不是很了解，事实上缓存非常关键，稍后会讲到；工艺，CPU 的工艺不仅可以降低功耗与成本，对性能的提高也是非常重要的；架构，这个对非专业的人来说很难理解，我们暂且可以理解为 CPU 内部各个协同工作器件的设计布局；还有很多，我们不一一列举，来具体探讨一下与今天的主题相关的方面：缓存。

缓存（Cache）

你可能无法想象，你经常关注的 CPU 主频对其性能的重要性小于缓存。缓存就如同它的名字，它的存在就是为了起缓冲作用。它缓冲的是 CPU 与内存之间的数据交互。由于目前 CPU 的时钟频率（主频）远超内存(memory)的工作频率，所以内存的数据传输速度根本跟不上 CPU 的请求速度，这对 CPU 来说是一种浪费。所以采用一种技术，即缓存技术，将缓存工作频率设计在 CPU 时钟与内存频率之间，极大地提高了数据传输速度。

数据交互有两种途径：
> [10%，慢] 处理器(CPU) <--> 内存(memory)
> [90%，快] 处理器(CPU) <--> 缓存(Cache) <--> 内存(memory)

微处理器内存寻址

既然 CPU 与内存之间有数据交互，那么就要确认每次数据读/写时的内存物理地址，如同游戏中在背包中存取东西时，首先要找到目标背包格子，才能进行正确的存取操作。

内存条的组成

一根 1G 的内存条是由许多内存颗粒(DRAM 芯片)，例如 16K*8bit 的芯片，即存储单元构成的，这个过程需要字扩展、位扩展构成逻辑存储阵列。

按这样的想法，我们很容易拼成几十 G 的内存条，暂且不去说性能如何，CPU 能正确寻址吗？从而完成数据读写吗？

内存条构成：
(DRAM)16K8bit ---字/位扩展---> (Memory)1G32bit

CPU 的地址线和数据线

每个 CPU 都有固定条数的数据线(Data)和地址线(Address)，顾名思义，很容易理解数据线就是用来传输数据的，地址线就是用来寻址的。这样的理解其实是相当正确的，只不过你稍加深入的学习，就很容易混淆概念甚至怀疑自己，从而建立错误的认知。

记住：地址位宽决定了 CPU 的寻址范围。

我们现在来讨论：64 处理器的寻址范围或者说支持的最大内存是多少？

这个问题的出现缘于 64 位处理器的诞生，宣传中不乏 32 位处理器最高可支持 4G 内存，64 位处理器可支持更大内存(这是官方话)。

百度上大多数答案都是 2^64 次方，像 CSDN、知乎等等的专业性较强的论坛上也会有少部分人这样回答。而他们有的会给出理由：64 根数据线，所以是 2^64 次方，换算下来应该有 16GT。

是的，如今所谓的 32 位或者 64 位处理器，32 和 64 指的就是 CPU 的字长，即数据(Data)位宽。

这是错误的概念！有很多人会觉得很正常，而且有自己的证明理由。例如：64 根数据线，可表示数据的范围就是 2^64，所以寻址范围理所当然就是如此。

首先，很多人这么理解是有原因的。学习微机原理时，我们都是以 Inter 的 8086/8088 为例来学习的，而恰好：**8086 数据位宽 16bit，8088 数据位宽 8bit，它们的地址位宽均为 20bit。**这样导致的结果就是，Data 位宽小于 Address 位宽的情况下，我们总以为由于数据线表示的范围不足以表示每一个地址，所以寻址范围由 Data 决定了。

**有趣的是，8086/8088 采用了段基地址和段偏移地址的方式，让 8086 只有 16 根数据线(2^16=64KB)的情况下，可以寻址到 1MB(也就是 20 根地址线)。**很多人觉得这仅仅是为了增大寻址范围(这是个错误的说法)，却未曾想过这是务必要做的。

段基地址+段偏移地址：
16bit 的 Data 可表示 2^16=64KB 的地址范围
16 块 64KB 内存条 ---(16bit 的 Data + 片选信号)---> 1MB 地址范围

假如不这样做，那么 16bit 的 Data 只能表示 64KB 地址范围，20bit 的 Address 其中就有 4 根闲置下来，既然多余了还要它干什么？但是，针脚的工艺那么难，无聊的加 4 根针脚闹着玩？所以说，用段基地址+段偏移地址来增加寻址范围(这么说是不对的，应该是弥补)是务必要做的，即就是：事实上，数据位宽并没有决定寻址范围。

那可以说，数据位宽与地址位宽同时决定了寻址范围吗？

我的答案是不可以这么说。你可以这么想，地址位宽大于数据位宽时，可以采用段基地址+段偏移地址方式来表示；那么当地址位宽=数据位宽时，刚好足够表示；至于数据位宽再增加时，虽然表示的数大了，但是地址位宽不足，无法表示超出部分的物理地址。所以说，无论数据位宽怎么变，最终寻址方式和范围都是相对于地址位宽来说的。

**数据(Data)位宽：**即字长，CPU 同一时刻所能传输最大数据位
> **地址(Address)位宽：**单独决定 CPU 的寻址范围

结语

由于工艺难度，CPU 上针脚数目的增加是非常难的，而且 CPU 针脚过多时，也需要主板能支持，就目前的工艺来看，最高可支持(2^37 次方)128G 内存条。

因此，64 位处理器指的是数据位宽 64bit，并不是地址位宽，那么最大可支持内存(寻址范围)也就不可能是 2^64 次方，并且远小于此。