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基本概念
32位的CPU與64位CPU
以下內(nèi)容摘自維基百科：
64 位 CPU 是指 CPU 內(nèi)部的通用寄存器的寬度為 64 比特，支持整數(shù)的 64 比特寬度的算術(shù)與邏輯運(yùn)算。那么 32 位 CPU 同理。
一個(gè) CPU，聯(lián)系外部的數(shù)據(jù)總線與地址總線，可能有不同的寬度；術(shù)語“64位”也常用于描述這些總線的大小。不過這一術(shù)語也可能指電腦指令集的指令長度，或其它的數(shù)據(jù)項(xiàng)。去掉進(jìn)一步的條件，“64位”電腦架構(gòu)一般具有 64 位寬的整數(shù)型寄存器，它可支持 64 位“區(qū)塊”的整數(shù)型數(shù)據(jù)。
64 位架構(gòu)無疑可應(yīng)用在需要處理大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，如數(shù)字視頻、科學(xué)運(yùn)算、和早期的大型數(shù)據(jù)庫。
那么 32 位 CPU 與 64 位 CPU 到底有什么區(qū)別？
- 數(shù)據(jù)處理能力增強(qiáng)：64 位 CPU 通用寄存器的位寬增加一倍，這也就意味著 64 位 CPU 可以一次性處理 64bit 的整形數(shù)據(jù)；
- 內(nèi)存尋址能力增強(qiáng)：如果是 32 位 CPU 的話，它的地址總線最多不會超過 32，那么它所能達(dá)到的尋址范圍也就不會超過 2 的 32 次方字節(jié)（存儲單元以字節(jié)為單位），也就是 4GB，而如果是 64 位處理器的話，它所能達(dá)到的尋址范圍理論上就會是 2 的 64 次方字節(jié)（上億 GB）。
補(bǔ)充：一般處理器多少位是指通用寄存器的長度，當(dāng)然數(shù)據(jù)線需要與之相同；地址線則不需要與之相等，好比 intel 64 位處理器則是 40 位地址總線，最大支持 1TB 的內(nèi)存尋址。
32位操作系統(tǒng)與64位操作系統(tǒng)
平時(shí)我們所說的 32 位操作系統(tǒng)也被稱為 X86 系統(tǒng)，x64 代表 64 位操作系統(tǒng)，關(guān)于它的簡略解釋：為什么32位的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不叫x32而叫x86呢？
關(guān)于 32 位操作系統(tǒng)與 64 位操作系統(tǒng)的區(qū)別如下：
32 位操作系統(tǒng)既可以運(yùn)行在 32 位的 CPU 上，也可以運(yùn)行在 64 位的 CPU 上，只不過，運(yùn)行在 64 位 CPU 上的話，就有點(diǎn)“大馬拉小車”的感覺了——無法發(fā)揮出 CPU 的全部能力。
64 位操作系統(tǒng)只能運(yùn)行在 64 位的 CPU 上，因此如果一個(gè)操作系統(tǒng)是 64 位，那么它的 CPU 架構(gòu)也必定是 64 位。
64 位操作系統(tǒng)相比于 32 位操作系統(tǒng)的優(yōu)勢正如上述 64 位 CPU 與 32 位 CPU 的優(yōu)勢一樣。
總線結(jié)構(gòu)與主板構(gòu)成
注：以下兩部分內(nèi)容摘抄自：32位系統(tǒng)最大只能支持4GB內(nèi)存之由來~
在解決本文標(biāo)題所述的問題之前，我們再來了解一些關(guān)于總線結(jié)構(gòu)與主板構(gòu)成的相關(guān)知識。
說起總線大家肯定不陌生，而且大家平時(shí)肯定跟它打過交道，我們在用U盤拷貝數(shù)據(jù)的時(shí)候先要把U盤通過USB接口與電腦相連才能拷貝。USB接口實(shí)際上就是一種總線，一般稱這種總線為USB總線（也叫做通用串行總線）。在很久之前是沒有USB總線的，那個(gè)時(shí)候每個(gè)外設(shè)各自采用自己的接口標(biāo)準(zhǔn)，舉個(gè)最簡單的例子：鼠標(biāo)生產(chǎn)廠商采用鼠標(biāo)特有的接口，鍵盤生產(chǎn)廠商用鍵盤特有的接口，這樣一來的話，PC機(jī)上就必須提供很多接口，這樣一來增加了硬件設(shè)計(jì)難度和成本，直到后來USB接口的出現(xiàn)，它統(tǒng)一了很多外設(shè)接口的標(biāo)準(zhǔn)，不僅使得用戶可以很方便地連接一些外設(shè)，更增強(qiáng)了PC的可擴(kuò)展性。所以現(xiàn)在大家看到的鼠標(biāo)、鍵盤、U盤、打印機(jī)等等這些外設(shè)都可以直接通過USB接口直接插到電腦上的。
在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中總線是非常重要的一個(gè)概念，正是因?yàn)橛辛丝偩€，所有的組成部件才能一起正常協(xié)同分工合作。在很久以前的PC機(jī)中，采用的是三總線結(jié)構(gòu)，即：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。它們分別用來傳輸不同類型的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總線用來傳輸數(shù)據(jù)，地址總線用來傳輸?shù)刂?#xff0c;控制總線用來傳輸一些控制信號。
隨著時(shí)代的發(fā)展，這種簡單的總線結(jié)構(gòu)逐漸被淘汰。下面這幅圖是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)采用的結(jié)構(gòu)：
事實(shí)上這也是現(xiàn)代主板所采用的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然可能部分地方有略微不同（大體結(jié)構(gòu)是差不多的），仔細(xì)觀察過主板構(gòu)成的朋友可能對上面一幅圖很熟悉。在主板上主要有兩大主要部分：北橋（North Bridge也稱Host Bridge）和南橋（South Bridge）。北橋主要負(fù)責(zé)CPU和內(nèi)存、顯卡這些部件的數(shù)據(jù)傳送，而南橋主要負(fù)責(zé)I/O設(shè)備、外部存儲設(shè)備以及BIOS之間的通信?，F(xiàn)在有些主板已經(jīng)沒有北橋了，因?yàn)樾酒瑥S商已經(jīng)把北橋所負(fù)責(zé)的功能直接集成到CPU中了（不過暫且我們以上副圖的模型來討論）。
在上副圖中，我沒有畫出數(shù)據(jù)總線和地址總線等，因?yàn)樵谀承┛偩€標(biāo)準(zhǔn)中它們被集成到一起了，比如在PCI總線中，地址總線和數(shù)據(jù)總線總是分時(shí)復(fù)用的（也就是說假如PCI總線有32位數(shù)據(jù)總線，這32位總線在某個(gè)時(shí)刻可以充當(dāng)數(shù)據(jù)總線的作用，在下一時(shí)刻可以充當(dāng)?shù)刂房偩€的作用）。有的總線同時(shí)提供了數(shù)據(jù)總線和地址總線。
下面來說一下幾個(gè)主要總線和南北橋的作用：
FSB總線：即前端總線（Front Side Bus），CPU和北橋之間的橋梁，CPU和北橋傳遞的所有數(shù)據(jù)必須經(jīng)過FSB總線，可以這么說，FSB總線的頻率直接影響到CPU訪問內(nèi)存的速度。
北橋：北橋是CPU和內(nèi)存、顯卡等部件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的唯一橋梁，也就是說CPU想和其他任何部分通信必須經(jīng)過北橋。北橋芯片中通常集成的還有內(nèi)存控制器等，用來控制與內(nèi)存的通信。現(xiàn)在的主板上已經(jīng)看不到北橋了，它的功能已經(jīng)被集成到CPU當(dāng)中了。
PCI總線：PCI總線是一種高性能局部總線，其不受CPU限制，構(gòu)成了CPU和外設(shè)之間的高速通道。比如現(xiàn)在的顯卡一般都是用的PCI插槽，PCI總線傳輸速度快，能夠很好地讓顯卡和CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
南橋：主要負(fù)責(zé)I/O設(shè)備之間的通信，CPU要想訪問外設(shè)必須經(jīng)過南橋芯片。
在了解了這些基礎(chǔ)東西之后，下面來講解一下為何 32 位系統(tǒng)最大只支持 4GB 內(nèi)存。（是的，就算是 64 位的 CPU，裝載 32 位的操作系統(tǒng)，它的尋址能力還是 4GB。）
對于標(biāo)題的解釋
在使用計(jì)算機(jī)時(shí)，其最大支持的內(nèi)存是由操作系統(tǒng)和硬件兩方面決定的。
先說一下硬件方面的因素，在上面已經(jīng)提到了地址總線，在計(jì)算機(jī)中 CPU的地址總線數(shù)目 決定了CPU 的 尋址 范圍，這種由地址總線對應(yīng)的地址稱作為物理地址。假如CPU有32根地址總線（一般情況下32位的CPU的地址總線是32位，也有部分32位的CPU地址總線是36位的，比如用做服務(wù)器的CPU），那么提供的可尋址物理地址范圍 為 232=4GB（在這里要注意一點(diǎn)，我們平常所說的32位CPU和64位CPU指的是CPU一次能夠處理的數(shù)據(jù)寬度，即位寬，不是地址總線的數(shù)目）。自從64位CPU出現(xiàn)之后，一次便能夠處理64位的數(shù)據(jù)了，其地址總線一般采用的是36位或者40位（即CPU能夠?qū)ぶ返奈锢淼刂房臻g為64GB或者1T）。在CPU訪問其它任何部件的時(shí)候，都需要一個(gè)地址，就像一個(gè)快遞員送快遞，沒有地址他是不知道往哪里送達(dá)的，舉個(gè)例子，CPU想從顯存單元讀取數(shù)據(jù)，必須知道要讀取的顯存單元的實(shí)際物理地址才能實(shí)現(xiàn)讀取操作，同樣地，從內(nèi)存條上的內(nèi)存單元讀取數(shù)據(jù)也需要知道內(nèi)存單元的物理地址。換句話說，CPU訪問任何存儲單元必須知道其物理地址。
用戶在使用計(jì)算機(jī)時(shí)能夠訪問的最大內(nèi)存不單是由CPU地址總線的位數(shù)決定的，還需要考慮操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上用戶在使用計(jì)算機(jī)時(shí)，進(jìn)程所訪問到的地址是邏輯地址，并不是真實(shí)的物理地址，這個(gè)邏輯地址是操作系統(tǒng)提供的，CPU在執(zhí)行指令時(shí)需要先將指令的邏輯地址變換為物理地址才能對相應(yīng)的存儲單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取或者寫入（注意邏輯地址和物理地址是一一對應(yīng)的）。
對于32位的windows操作系統(tǒng)，其邏輯地址編碼采用的地址位數(shù)是32位的，那么操作系統(tǒng)所提供的邏輯地址尋址范圍是4GB，而在intel x86架構(gòu)下，采用的是內(nèi)存映射技術(shù)(Memory-Mapped I/O, MMIO)，也就說將4GB邏輯地址中一部分要劃分出來與BIOS ROM、CPU寄存器、I/O設(shè)備這些部件的物理地址進(jìn)行映射，那么邏輯地址中能夠與內(nèi)存條的物理地址進(jìn)行映射的空間肯定沒有4GB了，看下面這幅圖就明白了：
所以當(dāng)我們裝了32位的windows操作系統(tǒng)，即使我們買了4GB的內(nèi)存條，實(shí)際上能被操作系統(tǒng)訪問到的肯定小于4GB，一般情況是3.2GB左右。假如說地址總線位數(shù)沒有32位，比如說是20位，那么CPU能夠?qū)ぶ返?MB的物理地址空間，此時(shí)操作系統(tǒng)即使能支持4GB的邏輯地址空間并且假設(shè)內(nèi)存條是4GB的，能夠被用戶訪問到的空間不會大于1MB（當(dāng)然此處不考慮虛擬內(nèi)存技術(shù)），所以用戶能夠訪問到的最大內(nèi)存空間是由硬件和操作系統(tǒng)兩者共同決定的，兩者都有制約關(guān)系。
于64位的操作系統(tǒng)，其邏輯地址編碼采用的地址位數(shù)是40位，能夠最大支持1T的邏輯地址空間?？紤]一種情況，假如CPU是64位的，地址總線位數(shù)是40位，操作系統(tǒng)也是64位的，邏輯地址編碼采用的地址位數(shù)也是40位，內(nèi)存條大小是64GB，那么是不是內(nèi)存條的64GB全部都能被利用了呢？答案是不一定，因?yàn)檫@里面還要考慮一個(gè)因素就是內(nèi)存控制器，內(nèi)存控制器位于北橋之內(nèi)（現(xiàn)在基本都是放在CPU里面了），內(nèi)存控制器的實(shí)際連接內(nèi)存的地址線決定了可以支持的內(nèi)存容量，也就是說內(nèi)存控制器與內(nèi)存槽實(shí)際連接的地址線如果沒有40位的話，是無法完全利用64GB的內(nèi)存條的存儲空間的。當(dāng)然對于內(nèi)存控制器這個(gè)問題幾乎可以不用考慮，因?yàn)楝F(xiàn)在大多數(shù)的內(nèi)存控制器至少都采用的是40位地址總線。
總結(jié)
對于以上所述，我進(jìn)行一下簡單的總結(jié)：
一個(gè)計(jì)算機(jī)，它的內(nèi)存訪問能力是由硬件和軟件共同決定的。硬件層面就指 CPU 的尋址能力，也就是地址總線的個(gè)數(shù)。軟件層面，指的就是操作系統(tǒng)。實(shí)際上我們（進(jìn)程）在進(jìn)行內(nèi)存訪問的時(shí)候，訪問的都是邏輯地址，而邏輯地址是由操作系統(tǒng)提供的。對于 32 位的操作系統(tǒng)，其邏輯地址編碼采用的地址位數(shù)是 32 位，那么操作系統(tǒng)所提供的邏輯地址尋址范圍就是 4GB。從這個(gè)方面來說，縱使你的 CPU 實(shí)際尋址能力為 2 的 64 次方，由于操作系統(tǒng)只提供 4GB 的邏輯地址，那 CPU 透過操作系統(tǒng)所能訪問到的內(nèi)存大小也就只有4GB了。
對與上述總結(jié)，我還有一個(gè)簡單的補(bǔ)充：
在和我的大神小伙伴討論的時(shí)候，他對于“為什么 64 位 CPU 裝載 32 位操作系統(tǒng)，它的尋址能力還是 4GB”這個(gè)問題的解答，只說了一句話：“32 位操作系統(tǒng)沒有對應(yīng) 64 位的尋址指令”。在細(xì)細(xì)品味之后，覺得頗有道理，我對于這句話的淺顯理解是：32 位操作系統(tǒng)沒有對應(yīng) 64 位的尋址指令，所以它不能提供 4GB 以上的邏輯地址，所以 64 位 CPU 透過 32 位操作系統(tǒng)，它的尋址能力依舊是 4GB。
參考閱讀
維基百科：64位
32位系統(tǒng)最大只能支持4GB內(nèi)存之由來