处理器系列之寻址空间详解 - 全文

一、什么叫寻址空间？

寻址空间一般指的是CPU对于内存寻址的能力。通俗地说，就是能最多用到多少内存的一个问题。数据在存储器(RAM)中存放是有规律的 ，CPU在运算的时候需要把数据提取出来就需要知道数据在那里 ，这时候就需要挨家挨户的找，这就叫做寻址，但如果地址太多超出了CPU的能力范围，CPU就无法找到数据了。 CPU最大能查找多大范围的地址叫做寻址能力 ，CPU的寻址能力以字节为单位。

 

通常人们认为，内存容量越大，处理数据的能力也就越强，但内存容量不可能无限的大，它要受到系统结构、硬件设计、制造成本等多方面因素的制约，一个最直接的因素取决于系统的地址总线的地址寄存器的宽度（位数）。

 

计算机的寻找范围由总线宽度（处理器的地址总线的位数）决定的，也可以理解为cpu寄存器位数，这二者一般是匹配的。

 

Intel公司早期的CPU产品的地址总线和地址寄存器的宽度为20位，即CPU的寻址能力为2^20=1024*1024字节=1024K字节=1M字节；286的地址总线和地址寄存器的宽度为24位，CPU的寻址能力为

2^24=1024*4*1024*4B=4*1024*4KB=16M；386及386以上的地址总线和地址寄存器的宽度为32位，CPU的寻址能力为2^32=4096M字节=4G字节。 也就是说，如果机器的CPU过早，即使有很大的内存也不能得到利用，而对于现在的PⅡ级的CPU，其寻址能力已远远超过目前的内存容量。

 

由此推出：地址总线为N位（N通常都是8的整数倍；也说N根数据总线）的CPU寻址范围是2的N次方字节，即2^N(B)。

 

二、16位、32位、64位通常指的是什么？

从CPU的发展史来看,从以前的8位到现在的64位,8位也就是CPU在一个时钟周期内可并行处理8位二进字符0或是1,那么16就以此类推是64位就64位二进制.

 

从数据计算上来讲理论上64位比32快一半。但因为电脑是软硬相配合才能发挥最佳性能的.所以操作系统也必须从32位的到64位的,而且系统的硬件驱动也必须是64位的.

 

在64CPU的计算机上要安装64位操作系统64位的硬件驱动,32位的硬件驱动是不能用的,只有这样才能发挥计算机的最佳性能.如果64CPU装32操作系统的话,那性能不会有明显的提升。

 

三、为什么是2的N次方，而不是其他数的N次方？

因为计算机是采用二进制计算的。 假设一台计算机,它只有1根地址线,请问它最多能对几个存储单元寻址?答案是：2个.因为在任何2进制计算机中,所有物理元件只有 0,1两种状态,对应这个例子,我们假设已经把这唯一的一根地址线与两个存储单元a和b连上了,那么究竟怎么确定何时读a何时读b?有一个办法,当地址线上的电压是高电压时我们读a,相反是低电压时,我们读b.如此一来,一根地址线的情况下,只能对2个存储单元进行寻址 依次类推,2根地址线时可以对4个存储单元进行寻址,对应的电压情况可以是:低低,低高,高低,高高;继续想下去,3根地址线就可以对8个存储单元进行寻址（3个1和3个0不同组合情况：111、110、100、000、101、100、001、011）,4根就是16个,也就是说,当有n根地址线时,可以对2的n次方个存储单元进行寻址。

 

一根线是怎么连接到两个存储单元的？好像不同于一根电话线吧，他有两个线芯或才网线，有八个小线（线芯）?

 

四、什么是存储单元？ 

存储单元一般应具有存储数据和读写数据的功能，一般以8位二进制作为一个存储单元，也就是一个字节。每个单元有一个地址，是一个整数编码，可以表示为二进制整数。

程序中的变量和主存储器的存储单元相对应。变量的名字对应着存储单元的地址，变量内容对应着单元所存储的数据。

 

五、为什么计算机采用二进制？

（1）技术实现简单，计算机是由逻辑电路组成，逻辑电路通常只有两个状态，开关的接通与断开，这两种状态正好可以用“1”和“0”表示。

（2）简化运算规则：两个二进制数和、积运算组合各有三种，运算规则简单，有利于简化计算机内部结构，提高运算速度。

（3）适合逻辑运算：逻辑代数是逻辑运算的理论依据，二进制只有两个数码，正好与逻辑代数中的“真”和“假”相吻合。

（4）易于进行转换，二进制与十进制数易于互相转换。

（5）用二进制表示数据具有抗干扰能力强，可靠性高等优点。因为每位数据只有高低两个状态，当受到一定程度的干扰时，仍能可靠地分辨出它是高还是低。 

 

 

我们的宇宙诞生于137亿年前的一次大爆炸。在宇宙之外的一个宇宙中，有一个星系与银河系具有非常显著的相似之处，在这个星系的一条旋臂上，存在着一个恒星系统，这个系统中只有一颗恒星，这颗恒星也与我们的太阳非常相似，再将镜头放大，在这颗恒星周围存在着八大行星，其中第三颗行星与我们的地球非常相似，这颗行星上同样也存在着高等直立智慧生物，其中有一个生物和您非常相似，过着同样的生活，更重要的是，此时此刻，他与您一样，也正在阅读这篇文章正文第一段的最后一行。

 

在X86系统里面，其实有多个寻址空间（Memory空间、IO空间、PCI的配置空间）类似于独立的多个并行的宇宙，虽然没有多宇宙的相似性，但是每个空间通过自己的指令，自己独立编制，是不同的空间，互不干涉。这在RISC处理器的编址方式里面，是不涉及的，在RISC处理器中，一般所有的外设，内存，寄存器都在统一的寻址空间。 

 

IO空间

通过in/ins、out/outs指令访问。

 

16位地址范围(0-0FFFFh)。

 

对于x86架构来说，通过IN/OUT指令访问。PC架构一共有65536个8bit的I/O端口，组成64KI/O地址空间，编号从0~0xFFFF。连续两个8bit的端口可以组成一个16bit的端口，连续4个组成一个32bit的端口。I/O地址空间和CPU的物理地址空间是两个不同的概念，例如I/O地址空间为64K，一个32bit的CPU物理地址空间是4G。

 

MMIO占用CPU的物理地址空间，对它的访问可以使用CPU访问内存的指令进行。一个形象的比喻是把文件用mmap()后，可以像访问内存一样访问文件、同样，MMIO是用访问内存一样的方式访问I/O资源，如设备上的内存。MMIO不能被cache，原因以前很多帖子论述过，就不多说了（有特殊情况，如VGA）。

 

Port I/O和MMIO的主要区别在于:

1）前者不占用CPU的物理地址空间，后者占有（这是对x86架构说的，一些架构，如IA64，port I/O占用物理地址空间）。

2）前者是顺序访问。也就是说在一条I/O指令完成前，下一条指令不会执行。例如通过Port I/O对设备发起了操作，造成了设备寄存器状态变化，这个变化在下一条指令执行前生效。uncache的MMIO通过uncahce memory的特性保证顺序性。

3）使用方式不同

 

由于port I/O有独立的64KI/O地址空间，但CPU的地址线只有一套，所以必须区分地址属于物理地址空间还是I/O地址空间。早期的CPU有一个M/I针脚来表示当前地址的类型。