ในหนังสือฉันอ่านสิ่งต่อไปนี้:
โปรเซสเซอร์ 32 บิตมีแอดเดรสที่เป็นไปได้ 2 ^ 32 ในขณะที่โปรเซสเซอร์ 64 บิตปัจจุบันมีพื้นที่แอดเดรส 48 บิต
ความคาดหวังของฉันคือถ้าเป็นโปรเซสเซอร์ 64 บิตพื้นที่แอดเดรสควรเป็น 2 ^ 64
ผมเลยสงสัยว่าเหตุผลของข้อ จำกัด นี้คืออะไร?
The 32-bit processors have 2^32 possible addressesไม่จำเป็นต้องเป็นจริง แต่ก็มีซีพียู 32 บิตที่มีเพียง 24 "พิน" สำหรับระบุหน่วยความจำ เช่น 68EC020 (รุ่น 68020 ราคาถูกกว่า) เป็นซีพียู 32 บิต แต่มี 24 บิตสำหรับระบุหน่วยความจำ
คำตอบ:
เพราะนั่นคือทั้งหมดที่จำเป็น 48 บิตให้พื้นที่แอดเดรส 256 เทราไบต์ นั่นเป็นจำนวนมาก คุณจะไม่เห็นระบบที่ต้องการมากกว่านั้นในเร็ว ๆ นี้
ดังนั้นผู้ผลิต CPU จึงใช้ทางลัด พวกเขาใช้ชุดคำสั่งซึ่งอนุญาตให้มีพื้นที่แอดเดรส 64 บิตเต็ม แต่ซีพียูปัจจุบันใช้เพียง 48 บิตที่ต่ำกว่าเท่านั้น อีกทางเลือกหนึ่งคือการสิ้นเปลืองทรานซิสเตอร์ในการจัดการพื้นที่แอดเดรสที่ใหญ่ขึ้นซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้มาหลายปี
ดังนั้นเมื่อเราเข้าใกล้ขีด จำกัด 48 บิตมันเป็นเพียงเรื่องของการปล่อยซีพียูที่จัดการพื้นที่แอดเดรสเต็มรูปแบบ แต่จะไม่ต้องการการเปลี่ยนแปลงใด ๆ กับชุดคำสั่งและจะไม่ทำลายความเข้ากันได้
คำตอบใด ๆ ที่อ้างถึงขนาดบัสและหน่วยความจำกายภาพนั้นผิดพลาดเล็กน้อยเนื่องจากคำถามของ OP เกี่ยวกับพื้นที่แอดเดรสเสมือนไม่ใช่พื้นที่แอดเดรสทางกายภาพพื้นที่ที่อยู่ทางกายภาพตัวอย่างเช่นขีด จำกัด ที่คล้ายคลึงกันใน 386 บางตัวคือขีด จำกัด ของหน่วยความจำกายภาพที่พวกเขาสามารถใช้ได้ไม่ใช่พื้นที่แอดเดรสเสมือนซึ่งเป็น 32 บิตเต็มเสมอ โดยหลักการแล้วคุณสามารถใช้พื้นที่ที่อยู่เสมือน 64 บิตเต็มแม้จะมีหน่วยความจำกายภาพเพียงไม่กี่ MB แน่นอนว่าคุณสามารถทำได้โดยการสลับหรือสำหรับงานพิเศษที่คุณต้องการแมปเพจเดียวกันกับที่อยู่ส่วนใหญ่ (เช่นการดำเนินการกับข้อมูลกระจัดกระจาย)
ฉันคิดว่าคำตอบที่แท้จริงคือ AMD นั้นถูกและหวังว่าจะไม่มีใครสนใจในตอนนี้ แต่ฉันไม่มีข้อมูลอ้างอิงในการอ้างอิง
__far(หรือแย่กว่านั้นก็คือFAR/ far!) ...
อ่านส่วนข้อ จำกัด ของบทความวิกิพีเดีย :
พีซีไม่สามารถมีหน่วยความจำได้ 4 เพตะไบต์ (เนื่องจากขนาดของชิปหน่วยความจำในปัจจุบันหากไม่มีอะไรอื่น) แต่ AMD มองเห็นเซิร์ฟเวอร์ขนาดใหญ่คลัสเตอร์หน่วยความจำที่ใช้ร่วมกันและการใช้พื้นที่ที่อยู่ทางกายภาพอื่น ๆ ที่อาจเข้าใกล้สิ่งนี้ในอนาคตอันใกล้และ 52 ที่อยู่จริงบิตให้พื้นที่กว้างขวางสำหรับการขยายในขณะที่ไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายในการนำที่อยู่ทางกายภาพ 64 บิต
นั่นคือไม่มีประเด็นที่จะใช้การกำหนดแอดเดรส 64 บิตเต็มรูปแบบ ณ จุดนี้เนื่องจากเราไม่สามารถสร้างระบบที่สามารถใช้พื้นที่แอดเดรสได้เต็มรูปแบบดังนั้นเราจึงเลือกสิ่งที่ใช้ได้จริงสำหรับระบบของวันนี้ (และในอนาคต)
ความกว้างของรีจิสเตอร์เนทีฟภายใน / การดำเนินการไม่จำเป็นต้องแสดงในความกว้างบัสแอดเดรสภายนอก
สมมติว่าคุณมีโปรเซสเซอร์ 64 บิตซึ่งต้องการเข้าถึง RAM 1 เมกะไบต์เท่านั้น แอดเดรสบัส 20 บิตเป็นสิ่งที่จำเป็น ทำไมต้องกังวลกับต้นทุนและความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์ของพินเสริมทั้งหมดที่คุณจะไม่ใช้?
Motorola 68000 เป็นแบบนี้ ภายใน 32 บิต แต่มีแอดเดรสบัส 23 บิต (และบัสข้อมูล 16 บิต) ซีพียูสามารถเข้าถึงแรม 16 เมกะไบต์และในการโหลดประเภทข้อมูลเนทีฟ (32 บิต) ใช้การเข้าถึงหน่วยความจำสองครั้ง (แต่ละตัวมีข้อมูล 16 บิต)
มีเหตุผลที่รุนแรงกว่าการประหยัดทรานซิสเตอร์ในพา ธ แอดเดรสของ CPU: ถ้าคุณเพิ่มขนาดของพื้นที่แอดเดรสคุณต้องเพิ่มขนาดเพจเพิ่มขนาดของตารางเพจหรือมีโครงสร้างตารางเพจที่ลึกกว่า (นั่น เป็นตารางการแปลระดับอื่น ๆ ) สิ่งเหล่านี้เพิ่มต้นทุนของการพลาด TLB ซึ่งส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพ
จากมุมมองของฉันนี่เป็นผลมาจากขนาดหน้าแต่ละหน้ามากที่สุดมี 4096/8 = 512 รายการของตารางหน้า และ 2 ^ 9 = 512 ดังนั้น 9 * 4 + 12 = 48
เพื่อตอบคำถามเดิม: ไม่จำเป็นต้องเพิ่ม PA มากกว่า 48 บิต
เซิร์ฟเวอร์ต้องการหน่วยความจำสูงสุดดังนั้นเรามาลองขุดลึกลงไป
1) การกำหนดค่าเซิร์ฟเวอร์ที่ใหญ่ที่สุด (ที่ใช้กันทั่วไป) คือระบบ 8 Socket ระบบ 8S ไม่ใช่อะไรนอกจาก 8 Server CPU ที่เชื่อมต่อกันด้วยการเชื่อมต่อระหว่างกันความเร็วสูง (หรือเรียกง่ายๆว่า "บัส" ความเร็วสูง) เพื่อสร้างโหนดเดียว มีคลัสเตอร์ขนาดใหญ่อยู่ที่นั่น แต่มีอยู่ไม่มากนักเรากำลังพูดถึงการกำหนดค่าที่ใช้กันทั่วไปที่นี่ โปรดทราบว่าในโลกแห่งความเป็นจริงระบบ 2 Socket เป็นหนึ่งในเซิร์ฟเวอร์ที่ใช้กันมากที่สุดและโดยทั่วไปแล้ว 8S ถือว่าสูงมาก
2) ประเภทหน่วยความจำหลักที่เซิร์ฟเวอร์ใช้ ได้แก่ หน่วยความจำ DRAM ปกติที่สามารถแอดเดรสแบบไบต์ (เช่นหน่วยความจำ DDR3 / DDR4), Memory Mapped IO - MMIO (เช่นหน่วยความจำที่ใช้โดยการ์ดเพิ่มเติม) และ Configuration Space ที่ใช้ในการกำหนดค่า อุปกรณ์ที่มีอยู่ในระบบ หน่วยความจำประเภทแรกคือหน่วยความจำที่ใหญ่ที่สุด (และด้วยเหตุนี้จึงต้องการบิตแอดเดรสจำนวนมากที่สุด) เซิร์ฟเวอร์ระดับไฮเอนด์บางตัวใช้ MMIO จำนวนมากเช่นกันขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าที่แท้จริงของระบบ
3) สมมติว่า CPU ของเซิร์ฟเวอร์แต่ละตัวสามารถรองรับ DDR4 DIMM ได้ 16 ตัวในแต่ละสล็อต ด้วยขนาดสูงสุด DDR4 DIMM 256GB (ขึ้นอยู่กับเวอร์ชันของเซิร์ฟเวอร์จำนวน DIMM ที่เป็นไปได้ต่อซ็อกเก็ตนี้จริง ๆ แล้วน้อยกว่า 16 DIMM แต่อ่านต่อไปเพื่อประโยชน์ของตัวอย่าง)
ดังนั้นแต่ละซ็อกเก็ตในทางทฤษฎีสามารถมี 16 * 256GB = 4096GB = 4 TB สำหรับระบบ 8S ตัวอย่างของเราขนาด DRAM สามารถมีขนาดได้สูงสุด 4 * 8 = 32 TB ซึ่งหมายความว่าจำนวนบิตสูงสุดที่จำเป็นในการจัดการกับพื้นที่ DRAM นี้คือ 45 (= log2 32TB / log2 2)
เราจะไม่เข้าไปดูรายละเอียดของหน่วยความจำประเภทอื่น ๆ (MMIO, MMCFG และอื่น ๆ ) แต่ประเด็นก็คือหน่วยความจำประเภทที่ "ต้องการ" มากที่สุดสำหรับระบบซ็อกเก็ต 8 ตัวที่มี DDR4 DIMM ประเภทใหญ่ที่สุดในปัจจุบัน (256 GB DIMM) ใช้เพียง 45 บิต
สำหรับระบบปฏิบัติการที่รองรับ 48 บิต (เช่น WS16) จะมี (48-45 =) เหลือ 3 บิต ซึ่งหมายความว่าถ้าเราใช้ 45 บิตที่ต่ำกว่าเพียงอย่างเดียวสำหรับ 32TB ของ DRAM เราจะยังมีหน่วยความจำแอดเดรส 2 ^ 3 เท่าซึ่งสามารถใช้กับ MMIO / MMCFG สำหรับพื้นที่แอดเดรสทั้งหมด 256 TB
ดังนั้นเพื่อสรุป: 1) ที่อยู่ทางกายภาพ 48 บิตเป็นบิตจำนวนมากเพื่อรองรับระบบที่ใหญ่ที่สุดในปัจจุบันซึ่ง "โหลดเต็มที่" ด้วย DDR4 จำนวนมากและยังมีอุปกรณ์ IO อื่น ๆ อีกมากมายที่ต้องการพื้นที่ MMIO 256TB เป็นที่แน่นอน
โปรดทราบว่าพื้นที่แอดเดรส 256TB นี้ (= 48 บิตของที่อยู่จริง) ไม่รวมดิสก์ไดรฟ์ใด ๆ เช่นไดรฟ์ SATA เนื่องจากไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของแอดเดรสแมปจึงรวมเฉพาะหน่วยความจำที่แอดเดรสแอดเดรสแบบไบต์และเปิดเผยกับระบบปฏิบัติการ
2) ฮาร์ดแวร์ของ CPU อาจเลือกใช้ 46, 48 หรือ> 48 บิตขึ้นอยู่กับรุ่นของเซิร์ฟเวอร์ แต่อีกปัจจัยที่สำคัญคือระบบปฏิบัติการรับรู้ได้กี่บิต วันนี้ WS16 รองรับที่อยู่จริง 48 บิต (= 256 TB)
สิ่งนี้หมายถึงผู้ใช้แม้ว่าจะมี CPU เซิร์ฟเวอร์ขนาดใหญ่ที่ทันสมัยเป็นพิเศษซึ่งสามารถรองรับการกำหนดแอดเดรส> 48 บิตหากคุณใช้ระบบปฏิบัติการที่รองรับ PA 48 บิตคุณก็สามารถใช้ประโยชน์จาก 256 TB เท่านั้น .
3) สรุปแล้วมีสองปัจจัยหลักในการใช้ประโยชน์จากจำนวนบิตแอดเดรสที่สูงขึ้น (= ความจุหน่วยความจำมากขึ้น)
ก) CPU HW ของคุณรองรับกี่บิต? (สามารถกำหนดได้โดยคำสั่ง CPUID ใน CPU ของ Intel)
b) คุณใช้ระบบปฏิบัติการเวอร์ชันใดและมีกี่บิตของ PA ที่รู้จัก / รองรับ
ขั้นต่ำของ (a, b) จะกำหนดจำนวนพื้นที่แอดเดรสที่ระบบของคุณสามารถใช้ประโยชน์ได้ในท้ายที่สุด
ฉันเขียนคำตอบนี้โดยไม่ได้ดูคำตอบอื่น ๆ โดยละเอียด นอกจากนี้ฉันยังไม่ได้เจาะลึกรายละเอียดเกี่ยวกับความแตกต่างของ MMIO, MMCFG และการสร้างแผนที่ที่อยู่ทั้งหมด แต่ฉันหวังว่านี่จะช่วยได้
ขอขอบคุณ Anand K Enamandram สถาปนิกแพลตฟอร์มเซิร์ฟเวอร์ Intel Corporation
หลายคนมีความเข้าใจผิดนี้ แต่ฉันสัญญากับคุณถ้าคุณอ่านอย่างละเอียดหลังจากอ่านสิ่งนี้ความเข้าใจผิดทั้งหมดของคุณจะกระจ่างขึ้น
การบอกว่าโปรเซสเซอร์ 32 บิตหรือ 64 บิตไม่ได้หมายความว่าควรมีแอดเดรสบัส 32 บิตหรือบัสแอดเดรส 64 บิตตามลำดับ! ... ขอย้ำว่าไม่ !!
โปรเซสเซอร์ 32 บิตหมายความว่ามี 32 บิต ALU (หน่วยเลขคณิตและลอจิก) ... ซึ่งหมายความว่าสามารถทำงานบนตัวดำเนินการไบนารี 32 บิต (หรือพูดง่ายๆว่าเลขฐานสองที่มี 32 หลัก) และในทำนองเดียวกันโปรเซสเซอร์ 64 บิตสามารถทำงานบนไบนารี 64 บิต ตัวถูกดำเนินการ ดังนั้นสภาพอากาศโปรเซสเซอร์ 32 บิตหรือ 64 บิตไม่ได้หมายถึงจำนวนหน่วยความจำสูงสุดที่สามารถติดตั้งได้ เพียงแค่แสดงให้เห็นว่าตัวถูกดำเนินการมีขนาดใหญ่เพียงใด ... (สำหรับการเปรียบเทียบคุณสามารถคิดว่าเครื่องคิดเลข 10 หลักสามารถคำนวณผลลัพธ์ได้ไม่เกิน 10 หลัก ... มันไม่สามารถให้ตัวเลข 11 หลักแก่เราหรือผลลัพธ์ที่ใหญ่กว่าอื่น ๆ ได้ ... แม้ว่าจะเป็น เป็นทศนิยม แต่ฉันกำลังบอกการเปรียบเทียบนี้เพื่อความเรียบง่าย) ... แต่สิ่งที่คุณกำลังพูดคือพื้นที่แอดเดรสซึ่งเป็นขนาดหน่วยความจำ (RAM) ที่เชื่อมต่อโดยตรงสูงสุด แรม ' ขนาดสูงสุดที่เป็นไปได้ถูกกำหนดโดยขนาดของแอดเดรสบัสและไม่ใช่ขนาดของบัสข้อมูลหรือแม้แต่ ALU ที่กำหนดขนาดของโปรเซสเซอร์ (32/64 บิต) ได้ถ้าโปรเซสเซอร์มี "Address bus" 32 บิตแสดงว่าสามารถระบุที่อยู่ 2 ^ 32 ไบต์ = RAM 4GB (หรือสำหรับ 64 บิตจะเป็น 2 ^ 64) ... แต่การบอกว่าโปรเซสเซอร์ 32 บิตหรือ 64 บิตมี ไม่มีอะไรเกี่ยวข้องกับพื้นที่แอดเดรสนี้ (พื้นที่แอดเดรส = ระยะที่สามารถเข้าถึงหน่วยความจำหรือขนาดสูงสุดของ RAM) และขึ้นอยู่กับขนาดของ ALU เท่านั้น แน่นอนบัสข้อมูลและแอดเดรสบัสอาจมีขนาดเท่ากันและดูเหมือนว่าโปรเซสเซอร์ 32 บิตหมายความว่าจะเข้าถึงหน่วยความจำ 2 ^ 32 ไบต์หรือ 4 GB ... แต่มันเป็นเรื่องบังเอิญเท่านั้นและมันจะไม่เหมือนกัน สำหรับทุกอย่าง.... ตัวอย่างเช่น intel 8086 เป็นโปรเซสเซอร์ 16 บิต (เนื่องจากมี 16 บิต ALU) ดังนั้นตามที่คุณบอกว่าควรเข้าถึงหน่วยความจำ 2 ^ 16 ไบต์ = 64 KB แต่ไม่เป็นความจริง สามารถเข้าถึงหน่วยความจำได้ไม่เกิน 1 MB สำหรับการมีแอดเดรสบัส 20 บิต .... คุณสามารถ google ได้หากมีข้อสงสัย :)
ฉันคิดว่าฉันได้ชี้แจงประเด็นของฉันแล้วตอนนี้มาถึงคำถามของคุณ ... เนื่องจากโปรเซสเซอร์ 64 บิตไม่ได้หมายความว่าจะต้องมีแอดเดรสบัส 64 บิตดังนั้นจึงไม่ผิดที่จะมีบัสที่อยู่ 48 บิตในโปรเซสเซอร์ 64 บิต ... พวกเขาทำให้พื้นที่แอดเดรสเล็กลงเพื่อให้การออกแบบและการประดิษฐ์มีราคาถูก .... เนื่องจากไม่มีใครใช้หน่วยความจำขนาดใหญ่เช่นนี้ (2 ^ 64 ไบต์) ... โดยที่ 2 ^ 48 ไบต์นั้นเกินพอในปัจจุบัน
ไม่เป็นความจริงที่จะใช้เฉพาะ VA แบบ 64 บิตลำดับต่ำ 48 บิตเท่านั้นอย่างน้อยก็กับ Intel 64 ใช้ 16 บิตด้านบนเรียงลำดับชนิดของ.
ส่วน 3.3.7.1 Canonical Addressing ในคู่มือสำหรับนักพัฒนาซอฟต์แวร์สถาปัตยกรรมIntel® 64 และ IA-32ระบุว่า:
ที่อยู่มาตรฐานต้องมีบิต 63 ถึง 48 ตั้งค่าเป็นศูนย์หรือหนึ่ง (ขึ้นอยู่กับว่าบิต 47 เป็นศูนย์หรือหนึ่ง)
ดังนั้นบิต 47 ถึง 63 จึงเป็น super-bit ทั้งหมด 1 หรือทั้งหมด 0 หากที่อยู่ไม่ได้อยู่ในรูปแบบบัญญัติการใช้งานควรมีข้อผิดพลาด
บน AArch64 สิ่งนี้แตกต่างกัน ตามภาพรวมชุดคำสั่ง ARMv8เป็น VA 49 บิต
ระบบแปลหน่วยความจำ AArch64 รองรับแอดเดรสเสมือน 49 บิต (48 บิตต่อตารางการแปล) แอดเดรสเสมือนถูกขยายจาก 49 บิตและจัดเก็บไว้ภายในตัวชี้ 64 บิต หรือภายใต้การควบคุมของการลงทะเบียนระบบตัวชี้ 64 บิตที่สำคัญที่สุด 8 บิตอาจมี "แท็ก" ซึ่งจะถูกละเว้นเมื่อใช้เป็นที่อยู่โหลด / จัดเก็บหรือเป้าหมายของสาขาทางอ้อม
[vsyscall]เพจ (นั่นอาจเป็นการส่งออกสิ่งต่างๆเช่น PID ปัจจุบันเพื่อให้getpid()เป็นพื้นที่ผู้ใช้ล้วนๆนอกจากนี้ยังgettimeofday()สามารถใช้ rdtsc ในปัจจัยพื้นที่ผู้ใช้ + มาตราส่วนที่ส่งออกโดยเคอร์เนลแม้ว่าฉันคิดว่าบางส่วนนั้นอยู่[vdso]ซึ่งอยู่ใกล้ด้านบนสุดของ ครึ่งล่าง)
__VMALLOC_BASE. สันนิษฐานว่าไม่ได้ใช้โดยตรง
CPU ถือเป็น "N-bits" เป็นหลักตามขนาดบัสข้อมูลและส่วนใหญ่ของเอนทิตี (สถาปัตยกรรมภายใน) : Registers, Accumulators, Arithmetic-Logic-Unit (ALU), Instruction Set เป็นต้นตัวอย่างเช่น ซีพียู Motorola 6800 (หรือ Intel 8050) รุ่นเก่าที่ดีคือ CPU 8 บิต มีบัสข้อมูล 8 บิตสถาปัตยกรรมภายใน 8 บิตและแอดเดรสบัส 16 บิต