32位系統(tǒng)最大只能支持4GB內(nèi)存的原因
32位系統(tǒng)最大只能支持4GB內(nèi)存的原因
也許大家對這個(gè)問題都不陌生，實(shí)際裝過系統(tǒng)用過電腦的朋友可能都有這樣的經(jīng)歷：自己電腦配的是4G的內(nèi)存條，可是裝完系統(tǒng)之后發(fā)現(xiàn)電腦上顯示的只有3.2G左右可用內(nèi)存，其它的內(nèi)存跑到哪去了?接下來是小編為大家收集的32位系統(tǒng)最大只能支持4GB內(nèi)存的原因，希望能幫到大家。
32位系統(tǒng)最大只能支持4GB內(nèi)存的原因：
一.總線結(jié)構(gòu)和主板的構(gòu)成
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?，控制總線用來傳輸一些控制信號。下面這幅圖很清楚地展示了三總線結(jié)構(gòu)：
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?，F(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。
二.來由
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。
對于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。
關(guān)于這個(gè)問題就說這么多了，有興趣深入研究的朋友可以自己查閱更多的資料。
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