存储器寻址

Question

我正在阅读http://duartes.org/gustavo/blog/post/motherboard-chipsets-memory-map，具体而言，我阅读了以下部分：

在主板上，CPU通往世界的大门是前端总线，把它连接到北桥。每当CPU需要读取或写入内存时，它都会通过这条总线进行读写。它使用一些引脚来传输它想要写入或读取的物理内存地址，而另一些引脚则发送要写入的值或接收正在读取的值。英特尔核心2 QX6600有33个引脚来传输物理内存地址(因此有2^33个内存位置的选择)和64个引脚来发送或接收数据(因此数据以64位数据路径或8字节块的方式传输)。这允许CPU物理地寻址64G内存(2^33个位置*8个字节)，尽管大多数芯片组最多只能处理8G内存。

现在，上面的数学说明，由于有33个寻址引脚，2^33 *8字节= 64 GB。很好，但现在我有点糊涂了。假设我安装了一个64位操作系统，我将能够处理64 GB总数或2^64 GB*8=2^64 GB(这要多得多)？另外，假设我在32位cpu上使用相同的cpu，我仍然只能寻址4Gb (2^32位=4GB*8= 4GB)？

我觉得物理和“操作系统允许的”让我很困惑。

谢谢!

Answer 1

你把很多事情搞混了：

• 指针的大小限制了用户进程可以访问的虚拟内存量。并不是所有这些都可以用于您的进程(保留“高”1或2GB供内核使用是传统做法)，
• 并不是所有的虚拟地址位都是有效的。最初的AMD64实现有效地使用了48位符号扩展地址(即范围0x0000800000000000，0xFFF7FFFFFFFFFFFFFF无效)。这在很大程度上是为了将页表限制在4个级别上，这降低了页面错误的成本；假设4K页，则需要6级页表来处理完整的2^64位。作为比较，i386有两个层次的页面表。
• 并不是所有的虚拟地址都需要在任何给定的时间对应物理地址。这就是虚拟内存的全部要点:您可以对不“物理”存在的内存进行寻址，并且操作系统为您分页。
• 并不是所有物理地址都对应于虚拟地址。例如，它们可能不会被映射，但也有可能有比您所能寻址的更多的物理内存。PAE支持多达64 GB的物理地址，并且在AMD64之前的服务器上很常见。虽然一个单独的进程不能处理64 GB的地址，但这意味着您可以运行很多千兆字节的进程，而不需要一直进行交换。
• ，最后是:有更多的物理地址是没有意义的。I有一个支持AMD64的D945GCLF2板，但是只有2GB的内存。没有必要有额外的物理地址线，但无论如何都不能使用。(我在内存映射设备和古怪的双DIMM单插槽设备上挥手，我忘记了.)

此外，还请注意其他几点：

• 用于内存映射I/O (在硬件方面)，CPU需要处理单个字节。它不能只进行64位的访问。
• 现代处理器包括CPU上的内存控制器，而使用传统的northbridge和FSB (参见HyperTransport和QuickPath)。

Answer 2

关于物理地址线，有几件事需要考虑：

1. 每个物理地址线("pin")引用的是前端总线字，而不是字节地址。如果CPU获取64位字，那么物理地址线将对齐到8字节的边界。因此，地址行A0-A2没有连线，因为它们总是为零。因此，前端总线的宽度增加了物理线的字节地址范围。虚拟内存系统
2. 可以维护64位虚拟地址到n位物理地址的映射。在实践中，操作系统维护一个VM映射不超过的“物理最大地址”值。
3. 某些内存体系结构允许内存库分页，其中非CPU硬件通过为不同的“内存库”重用一些物理地址来增加有效物理内存地址范围。

Answer 3

64位操作系统和32位操作系统之间的主要区别是，人们仅仅认为原始数据类型(例如，一个单词)更宽。如果CPU只能物理地定位2^33个位置，这不会因为您使用64位操作系统而改变。另一方面，使用32位操作系统通常会限制您的可寻址内存，因为32位指针不能表示CPU用来寻址内存的所有可能值(在您的示例中，32位指针是有点短)。

长话短说，可寻址内存受到指针宽度( OS限制)和数据地址总线宽度(物理限制)的限制。有些体系结构通过使用两个指针来绕过OS指针宽度，其中一个指针用于寻址“内存库”，另一个指针位于银行内的本地地址。不过，这些计划最近已经风行一时。

此外，现代OSes通常使用虚拟内存子系统，将逻辑地址转换为相应的物理地址。有了缓存，内存的实际物理位置可以在一个(或多个)中！沿内存传递性的组件(例如处理器缓存、主内存、硬盘等)不知道我怎么会完全忘记提到VM，但是它肯定会帮助您了解它。