「 在 32 位元 CPU 中，如果單純以 CPU 做記憶體定址時，4GiB 為其極限。 」這是某個網站對新處理器「深入分析」文章中出現的敘述。
這句話倒底對不對呢？這就是以下要討論的，其實這些都是很基本的計算機結構常識；首先我們從定義開始：什麼是CPU的「bit數」？CPU的「記憶體定址」又是什麼？
雖然幾十年前對這個定義有不少爭論，不過現在一般來說，一個CPU架構裡的「bit數」，通常從程式觀點來看，指的是「整數暫存器的bit數」，也就是一個整數指令能夠運算的最大位元長度，舉例來說，以前8088/8086和286，整數暫存器最大就是16位元。所以是16位元處理器，80386/486暫存器可以到32位元，所以是32位元處理器，沒有任何問題。
可是「記憶體定址」是另外一回事， 什麼是「記憶體定址」？如果把裡裡外外所有繁瑣的細節都省略，當作一個抽象的個體來看，CPU就是一個可以輸入或輸出(為了方便，以下把輸出和輸入簡稱為讀寫，讀是輸入，寫是輸出)資料的黑盒子，而這個黑盒子從「哪裡」讀寫資料？這個「哪裡」就是記憶體，當然這是個抽象的描述，有些人可能會爭辯還有I/O等等，但是對程式或CPU來說那還是一種「記憶體」。
CPU讀寫資料的大小是有限的，更進一步來說，CPU能夠「從多大的範圍讀寫資料」也是有限制的，回到剛剛的黑盒子，CPU如何決定從「哪裡」存取資料？答案是：CPU會先寫出一串資料，這串資料稱為「位址(address)」，這串資料是有大小限制的，如果是32bit，表示CPU只能從2^32這麼大的範圍內選一段讀寫，一段的基本單位通常是byte(當然，也會有例外)，古早的CPU通常會特別有一組訊號線來表示這串資料，這組訊號叫「定址線」，所以32條定址線，基本單位byte，表示這顆CPU只能從2^32 = 4 giga byte = 4GiB大小的空間中讀寫資料，也就是說記憶體定址空間是 4 GiB。
所以32位元CPU的記憶體定址就是4 GiB？
回答這個問題之前，請先容我反問一下，如果上面的敘述成立，請問16位元的CPU，記憶體定址應該是多大？2^16 = 64K byte？
別傻了，就拿剛剛舉過的例子，Intel 8088/8086有20條定址線，80286有24條定址線，所以一個是1MB，一個是16MB，隨便哪一個都超過64K。
問題出在哪裡？問題在於，整數暫存器的大小，跟記憶體定址線的大小，這兩個本來就是互相獨立的參數，上面的8086和286就是個例子，只是x86進入32位元時代後，剛好386、486到Pentium都是位元數等於定址線數，也就是暫存器32位元，定址線也剛好是32位元，如此而已。
問題又來了，如果一顆CPU的整數運算大小比定址線還小，那程式怎麼存取記憶體？這也是個好問題，答案是：看指令集怎麼規定；拿8086來說，它有幾個特別的暫存器，牽涉到記憶體存取的指令時，CPU真正計算位址的方法是：把這些暫存器的值，跟你的指令裡面指定位址的值拿來一起計算，最後產生的才是20位元的記憶體位址；到了286時比較複雜，某個暫存器會指到某張表，表裡面的數字跟暫存器的數字一起計算等等等等，其他處理器可能有其他方法，但是總而言之言而總之，有太多太多方法可以讓程式在存取記憶體時，可以不用受限於一個整數暫存器的大小。
所以一切的謎底都解開了嗎？也不盡然如此，在386之前，這種不太直觀的記憶體存取機制，對程式設計師來說其實很麻煩，所以從386開始，暫存器和定址線就一樣是32位元，程式可以擺脫那些麻煩的機制，就這樣過了很長的一段太平日子，因為太平日子過太久，所以大家都忘記了過去那段苦日子，以為32位元就等於4G記憶體定址。
不過太平日子其實也是會過去的，故事還沒完，我們下期待續。
沒有留言:
張貼留言