เราสามารถรับแอดเดรสหน่วยความจำได้จำนวนเท่าใดด้วยโปรเซสเซอร์ 32 บิตและ RAM 1GB และมีหน่วยประมวลผล 64 บิตเท่าใด

ฉันคิดว่ามันเป็นเช่นนี้:

RAM 1GB หารด้วย 32 บิตหรือหารด้วย 4? การรับจำนวนที่อยู่หน่วยความจำ

แต่ฉันไม่แน่ใจ. นั่นเป็นเหตุผลที่ฉันถาม

ฉันแดงบนวิกิพีเดียว่าที่อยู่หน่วยความจำ 1 แห่งคือ 32bits กว้างหรือ 4 octets (1 octet = 8 บิต) เมื่อเทียบกับ 64 บิตโปรเซสเซอร์ที่ 1 ที่อยู่หน่วยความจำหรือ 1 จำนวนเต็มคือ 64 บิตกว้างหรือ 8 octets แต่ไม่รู้ว่าฉันเข้าใจถูกต้องหรือไม่

คำตอบสั้น ๆ :จำนวนที่อยู่ที่มีอยู่มีค่าน้อยกว่าที่อยู่เหล่านี้:

• ขนาดหน่วยความจำในหน่วยไบต์
• จำนวนเต็มที่ไม่ได้ลงนามที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่สามารถบันทึกในคำของเครื่อง CPU

คำตอบยาวและคำอธิบายข้างต้น:

หน่วยความจำประกอบด้วยไบต์ (B) แต่ละไบต์ประกอบด้วย 8 บิต (b)

1 B = 8 b

RAM 1 GB เป็นจริง 1 GiB (gibibyte ไม่ใช่กิกะไบต์) ความแตกต่างคือ:

1 GB  = 10^9 B = 1 000 000 000 B
1 GiB = 2^30 B = 1 073 741 824 B

หน่วยความจำทุกไบต์มีที่อยู่ของตัวเองไม่ว่าคำของเครื่อง CPU จะใหญ่เพียงใด เช่น. Intel 8086 CPU เป็น 16 บิตและเป็นหน่วยความจำที่มีหน่วยเป็นไบต์ดังนั้น CPU แบบ 32 บิตและ 64 บิตที่ทันสมัย นั่นเป็นสาเหตุของการ จำกัด ครั้งแรก - คุณไม่สามารถมีที่อยู่มากกว่าไบต์หน่วยความจำได้

ที่อยู่หน่วยความจำเป็นจำนวนไบต์ที่ CPU ต้องข้ามจากจุดเริ่มต้นของหน่วยความจำเพื่อไปยังที่อยู่ที่ต้องการ

• ในการเข้าถึงไบต์แรกนั้นจะต้องข้าม 0 ไบต์ดังนั้นที่อยู่ไบต์แรกคือ 0
• ในการเข้าถึงไบต์ที่สองจะต้องข้าม 1 ไบต์ดังนั้นที่อยู่ของมันคือ 1
• (และอื่น ๆ ... )
• หากต้องการเข้าถึงไบต์สุดท้าย CPU จะข้าม 1073741823 ไบต์ดังนั้นที่อยู่ของมันคือ 1073741823

ตอนนี้คุณต้องรู้ว่าจริง ๆ แล้ว 32- บิตหมายความว่าอย่างไร ดังที่ฉันได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้มันเป็นขนาดของคำศัพท์ของเครื่องจักร

Machine word คือจำนวนหน่วยความจำของ CPU ที่ใช้เพื่อเก็บหมายเลข (ใน RAM, แคชหรือรีจิสเตอร์ภายใน) CPU แบบ 32 บิตใช้ 32 บิต (4 ไบต์) เพื่อเก็บหมายเลข ที่อยู่หน่วยความจำก็เป็นตัวเลขเช่นกันดังนั้นบน CPU แบบ 32 บิตที่อยู่หน่วยความจำประกอบด้วย 32 บิต

ตอนนี้คิดเกี่ยวกับสิ่งนี้: ถ้าคุณมีหนึ่งบิตคุณสามารถบันทึกสองค่าในนั้น: 0 หรือ 1 เพิ่มอีกหนึ่งบิตและคุณมีสี่ค่า: 0, 1, 2, 3 ในสามบิตคุณสามารถบันทึกแปดค่า : 0, 1, 2 ... 6, 7 นี่คือระบบไบนารีจริง ๆ และมันทำงานแบบนั้น:

Decimal Binary
0       0000
1       0001
2       0010
3       0011
4       0100
5       0101
6       0110
7       0111
8       1000
9       1001
10      1010
11      1011
12      1100
13      1101
14      1110
15      1111

มันทำงานได้เหมือนกันนอกจากนี้ปกติ แต่หลักสูงสุดคือ 1 ไม่ 9. สิบ 0 0000แล้วคุณเพิ่ม 1 และได้รับเพิ่มอีกครั้งหนึ่งและคุณมี0001 0010สิ่งที่เกิดขึ้นที่นี่เหมือนกับการมีทศนิยม09และเพิ่ม: คุณเปลี่ยน 9 เป็น 0 และเพิ่มตัวเลขถัดไป

จากตัวอย่างข้างต้นคุณจะเห็นว่ามีค่าสูงสุดเสมอคุณสามารถเก็บไว้ในจำนวนที่มีจำนวนบิตคงที่ - เพราะเมื่อบิตทั้งหมดเป็น 1 และคุณพยายามที่จะเพิ่มมูลค่าโดย 1 บิตทั้งหมดจะกลายเป็น 0 จึงทำลาย จำนวน. มันเรียกว่าจำนวนเต็มล้นและทำให้เกิดปัญหาที่ไม่พึงประสงค์มากมายทั้งสำหรับผู้ใช้และนักพัฒนา

   11111111    = 255
+         1
-----------
  100000000    = 0   (9 bits here, so 1 is trimmed)

• สำหรับ 1 บิตค่ายิ่งใหญ่ที่สุดคือ 1
• 2 บิต - 3
• 3 บิต - 7
• 4 บิต - 15

จำนวนที่มากที่สุดที่เป็นไปได้คือ 2 ^ N-1 โดยที่ N คือจำนวนบิต อย่างที่ฉันได้กล่าวไปแล้วที่อยู่หน่วยความจำคือตัวเลขและยังมีค่าสูงสุด นั่นเป็นสาเหตุที่ขนาดของเครื่องคำ จำกัด จำนวนที่อยู่หน่วยความจำที่มีอยู่ด้วย - บางครั้ง CPU ของคุณก็ไม่สามารถประมวลผลตัวเลขที่ใหญ่พอที่จะรองรับหน่วยความจำเพิ่มเติม

ดังนั้นใน 32 บิตคุณสามารถเก็บตัวเลขได้ตั้งแต่ 0 ถึง 2 ^ 32-1 และนั่นคือ 4 294 967 295 มันเป็นมากกว่าที่อยู่ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดใน RAM ขนาด 1 GB ดังนั้นในกรณีของ RAM จำนวนเฉพาะของคุณจะเป็นปัจจัย จำกัด

ขีด จำกัด RAM สำหรับ CPU แบบ 32 บิตในทางทฤษฎีแล้ว 4 GB (2 ^ 32) และสำหรับ 64 บิต CPU นั้นมีขนาด 16 EB (exabytes, 1 EB = 2 ^ 30 GB) กล่าวอีกนัยหนึ่งซีพียู 64 บิตสามารถตอบสนองอินเทอร์เน็ตทั้งหมด ... 200 ครั้ง;) (ประเมินโดยWolframAlpha )

อย่างไรก็ตามในระบบปฏิบัติการจริงซีพียู 32 บิตสามารถจัดการกับ RAM ได้ประมาณ 3 GiB นั่นเป็นเพราะสถาปัตยกรรมภายในของระบบปฏิบัติการ - ที่อยู่บางส่วนถูกสงวนไว้สำหรับวัตถุประสงค์อื่น คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ที่เรียกว่า3 GB อุปสรรคในวิกิพีเดีย คุณสามารถยกขีด จำกัด นี้กับทางกายภาพที่อยู่ส่วนขยาย

พูดเกี่ยวกับหน่วยความจำที่อยู่, มีบางสิ่งที่ฉันควรจะพูดถึง: หน่วยความจำเสมือน , การแบ่งส่วนและเพจ

หน่วยความจำเสมือน

ดังที่ @Daniel R Hicks ชี้ให้เห็นในคำตอบอื่น OSes ใช้หน่วยความจำเสมือน ความหมายคือแอปพลิเคชันไม่ทำงานกับที่อยู่หน่วยความจำจริง แต่เป็นแอปที่มีให้โดย OS

เทคนิคนี้ช่วยให้ระบบปฏิบัติการย้ายข้อมูลบางส่วนจาก RAM ไปยัง Pagefile (Windows) หรือ Swap (* NIX) ที่เรียกว่า HDD ช้ากว่า RAM เล็กน้อย แต่ก็ไม่ใช่ปัญหาร้ายแรงสำหรับข้อมูลที่เข้าถึงได้ยากและอนุญาตให้ระบบปฏิบัติการให้แอปพลิเคชัน RAM มากกว่าที่คุณติดตั้งจริง

เพจจิ้ง

สิ่งที่เรากำลังพูดถึงคือเรียกว่ารูปแบบการกำหนดแอดเดรสแบบแบน

การเพจคือโครงร่างการกำหนดแอดเดรสทางเลือกที่อนุญาตให้กำหนดแอดเดรสหน่วยความจำเพิ่มเติมที่ปกติคุณสามารถทำได้ด้วยหนึ่งคำศัพท์เครื่องในโมเดลแฟล็ต

ลองนึกภาพหนังสือที่เต็มไปด้วยคำ 4 ตัวอักษร สมมติว่ามี 1024 หมายเลขในแต่ละหน้า ในการพูดถึงตัวเลขคุณต้องรู้สองสิ่ง:

• จำนวนหน้าที่พิมพ์คำนั้น
• คำใดในหน้านั้นคือคำที่คุณกำลังค้นหา

นั่นคือวิธีที่ x86 ซีพียูสมัยใหม่จัดการกับหน่วยความจำ มันแบ่งออกเป็น 4 หน้า KiB (1024 คำต่อคำในเครื่อง) และหน้าเหล่านั้นมีตัวเลข (หน้าจริงๆแล้วอาจเป็น 4 MiB ใหญ่หรือ 2 MiB พร้อมPAE ) เมื่อคุณต้องการระบุเซลล์หน่วยความจำคุณต้องมีหมายเลขหน้าและที่อยู่ในหน้านั้น โปรดทราบว่าแต่ละเซลล์หน่วยความจำมีการอ้างอิงโดยตัวเลขหนึ่งคู่เท่านั้นซึ่งจะไม่เกิดกรณีสำหรับการแบ่งกลุ่ม

การแบ่งกลุ่ม

อันนี้ค่อนข้างคล้ายกับเพจ มันถูกใช้ใน Intel 8086 เพียงเพื่อตั้งชื่อตัวอย่างหนึ่ง กลุ่มที่อยู่ปัจจุบันเรียกว่าเซ็กเมนต์หน่วยความจำไม่ใช่หน้าเว็บ ความแตกต่างคือส่วนสามารถทับซ้อนกันและพวกเขาทับซ้อนกันมาก ตัวอย่างเช่นใน 8086 เซลล์หน่วยความจำส่วนใหญ่มีอยู่ใน 4096 เซกเมนต์ที่ต่างกัน

ตัวอย่าง:

สมมติว่าเรามีหน่วยความจำ 8 ไบต์ทั้งหมดถือศูนย์ยกเว้นไบต์ที่ 4 ซึ่งเท่ากับ 255

ภาพประกอบสำหรับโมเดลหน่วยความจำแบบแบน:

 _____
|  0  |
|  0  |
|  0  |
| 255 |
|  0  |
|  0  |
|  0  |
|  0  |
 -----

ภาพประกอบสำหรับหน่วยความจำเพจที่มีเพจขนาด 4 ไบต์:

 PAGE0
 _____
|  0  |
|  0  |
|  0  |  PAGE1
| 255 |  _____
 -----  |  0  |
        |  0  |
        |  0  |
        |  0  |
         -----

ภาพประกอบสำหรับหน่วยความจำที่แบ่งเป็นเซ็กเมนต์ที่มี 4 ไบต์แบ่งเป็น 1:

 SEG 0
 _____   SEG 1
|  0  |  _____   SEG 2
|  0  | |  0  |  _____   SEG 3
|  0  | |  0  | |  0  |  _____   SEG 4
| 255 | | 255 | | 255 | | 255 |  _____   SEG 5
 -----  |  0  | |  0  | |  0  | |  0  |  _____   SEG 6
         -----  |  0  | |  0  | |  0  | |  0  |  _____   SEG 7
                 -----  |  0  | |  0  | |  0  | |  0  |  _____
                         -----  |  0  | |  0  | |  0  | |  0  |
                                 -----   -----   -----   -----

อย่างที่คุณเห็นไบต์ที่ 4 สามารถระบุได้สี่วิธี: (ที่อยู่จาก 0)

• ส่วนที่ 0 ชดเชย 3
• ส่วนงานที่ 1 ชดเชย 2
• ส่วนที่ 2 ชดเชย 1
• ส่วนที่ 3 ชดเชย 0

มันเป็นเซลล์หน่วยความจำเดียวกันเสมอ

ในเซ็กเมนต์การใช้งานจริงถูกเลื่อนมากกว่า 1 ไบต์ (สำหรับ 8086 เป็น 16 ไบต์)

สิ่งที่ไม่ดีเกี่ยวกับการแบ่งส่วนคือความซับซ้อน (แต่ฉันคิดว่าคุณรู้อยู่แล้ว) สิ่งที่ดีคือคุณสามารถใช้เทคนิคที่ชาญฉลาดเพื่อสร้างโปรแกรมแบบแยกส่วน

ตัวอย่างเช่นคุณสามารถโหลดโมดูลบางส่วนในเซกเมนต์จากนั้นเสแสร้งเซกเมนต์มีขนาดเล็กกว่าจริง ๆ (เพียงเล็กพอที่จะเก็บโมดูล) จากนั้นเลือกเซ็กเมนต์แรกที่ไม่ทับซ้อนกับโมดูลหลอกที่เล็กกว่าและโหลดโมดูลถัดไป และอื่น ๆ โดยทั่วไปสิ่งที่คุณจะได้รับด้วยวิธีนี้คือหน้าขนาดผันแปร

นอกเหนือไปจากข้างต้นทราบว่าเสมือน addressing ถูกนำมาใช้พร้อมกับหลายช่องว่างอยู่ ดังนั้นแม้ว่าคุณจะมี RAM เพียง 1GB แต่โปรแกรมสามารถใช้หน่วยความจำเสมือนได้ถึง 4GB (แม้ว่าระบบปฏิบัติการส่วนใหญ่จะ จำกัด ให้เหลือน้อยกว่านี้) และคุณสามารถมีคอนเซ็ปต์พื้นที่ 4GB ขนาดนั้นได้

ขนาด RAM ไม่ได้ จำกัด (มาก) ขนาดสูงสุดของโปรแกรมหรือจำนวนโปรแกรมที่คุณสามารถรันได้ แต่จะ จำกัด ประสิทธิภาพการทำงาน เมื่อหน่วยความจำจริงกลายเป็น "เกินจริง" และระบบเริ่ม "หวด" เนื่องจาก "สลับ" "หน้า" ของหน่วยความจำไปมาระหว่าง RAM และดิสก์ประสิทธิภาพจะลดลง

แรม 1GByte จะมีขนาด 1024 * 1024 * 1024 ไบต์หรือ 1,073,741,824 ไบต์

ตัวประมวลผลแบบ 32 บิตจะมีขนาด 4 * 1024 * 1024 * 1024 ไบต์เสมอหรือพื้นที่ที่อยู่ 4,294,967,296 ไบต์ไบต์ 1Gbyte of RAM ปรากฏขึ้นภายในพื้นที่นี้ สำหรับโปรเซสเซอร์ Intel RAM บางตัวจะต้องปรากฏขึ้นที่ที่อยู่ 0 สำหรับเวกเตอร์ขัดจังหวะดังนั้น RAM จริงจะเริ่มต้นที่แอดเดรส 0 และขึ้นไป

สิ่งอื่น ๆ ปรากฏในพื้นที่ที่อยู่นั้นเช่น BIOS และ ROM ตัวเลือก (ใน 384Kbytes บนภายใน 1Mbyte แรก) อุปกรณ์ I / O (เช่น APIC) และ RAM วิดีโอ มีสิ่งแปลก ๆ เกิดขึ้นกับโหมดการจัดการระบบ "SMRAM" ที่ฉันยังไม่เข้าใจอย่างสมบูรณ์

โปรดทราบว่านี่เป็นพื้นที่ที่อยู่จริงจากมุมมองของเคอร์เนล MMU สามารถจัดเรียงสิ่งนี้ใหม่ทั้งหมดในลักษณะใด ๆ กับกระบวนการ userpace

ตัวประมวลผลแบบ 32 บิตสามารถระบุหน่วยความจำได้สูงสุด 2 ^ 32 ไบต์ (ประมาณ 4GB) แต่การมีหน่วยความจำ 1GB จะทำให้ 1 * 1024 * 1024 * 1024 หน่วยความจำไบต์ที่อยู่ได้ (แม้ว่าคุณอาจจะยังคงมีพื้นที่อยู่เสมือน 2 ^ 32 ) CPU 64 บิตสามารถระบุไบต์ละ 2 ^ 64 แต่ฉันคิดว่าระบบส่วนใหญ่ใช้เพียง 48 บิตสำหรับที่อยู่หน่วยความจำที่สร้างขอบเขตบน ไบต์ที่แอดเดรสได้ 2 ^ 48

คำตอบที่ได้รับการยอมรับให้คำอธิบายที่ดี แต่ฉันไม่คิดว่ามันคือคำตอบ มันไม่ได้มีอะไรเกี่ยวกับรถบัสที่อยู่ และขนาดของมันเป็นเหตุผลหลักที่ทำให้หน่วยความจำ จำกัด ตัวอย่างเช่น 8080 เป็นตัวประมวลผล 8 บิต (ขนาดของบัสข้อมูลคือ 8 บิต) แต่มีบัสแอดเดรส 16 บิต สามารถระบุที่อยู่ 2 ^ 16 = (2 ^ 6) * (2 ^ 10) = 64 * 1024 ไบต์ = 64KB

คุณสามารถหาข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่นี่ (32 บิต)ในส่วน "ประวัติทางเทคนิค"

ฉันเชื่อว่าข้อมูลพื้นฐานส่วนใหญ่หายไปในการสนทนานี้ดังนั้นนี่คือคำตอบของฉัน:

การพูดว่า "นี่คือตัวประมวลผลขนาด 32 บิต" หมายความว่าขนาดคำสั่งหรือขนาดคำสั่งซีพียูที่สามารถเข้าใจและทำงานพร้อมกันคือ 32 บิต เช่นเดียวกันกับตัวประมวลผล 64 บิต: พวกเขาสามารถจัดการคำสั่งได้ไม่เกิน 64 บิต

คิดแบบนี้เหมือนเครื่องคิดเลขเชิงกลแบบเก่า: คุณมีเพียงตัวเลขจำนวนมากดังนั้นก็ไม่สามารถใส่ตัวเลขได้อีกต่อไป

ตอนนี้ที่อยู่ที่ CPU สามารถใช้ยังต้องพอดีกับพื้นที่ว่างนั้นดังนั้นสำหรับโปรเซสเซอร์ 32 บิตที่อยู่ที่ใช้สามารถทำได้เพียง 32 บิตเท่านั้น ดังนั้นจากที่นี่เราสามารถคำนวณจำนวนที่อยู่สูงสุด (เช่นจำนวน RAM สูงสุดที่ CPU ใช้งานได้):

2 ^ 32 = 4294967296 (= 4 GB)

หรือ

2 ^ 64 = 18446744073709551616 (= อีกวิธี;)

หรือเป็นตัวอย่างที่สนุก Commodore 64 รุ่นเก่าของฉันมีซีพียู 16 บิตดังนั้นมันจึงสามารถจัดการหน่วยความจำของ:

2 ^ 16 = 65536 ไบต์ (= 64 KB)

นี่คือตรรกะพื้นฐาน แต่ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้มีวิธีแก้ไขข้อ จำกัด นี้เช่นพื้นที่ที่อยู่เสมือนการแมปหน่วยความจำเป็นต้น