计算机支持的最大内存与CPU之间的关系

Posted 2020-09-29 仙仙_幺妹儿

在使用计算机时，其最大支持的内存是由  操作系统 和 硬件 两方面决定的。

　　先说一下硬件方面的因素，在计算机中 CPU的地址总线数目 决定了CPU 的 寻址 范围，这种由地址总线对应的地址称作为物理地址。假如CPU有32根地址总线（一般情况下32位的CPU的地址总线是32位，也有部分32位的CPU地址总线是36位的，比如用做服务器的CPU），那么提供的可寻址物理地址范围 为 2³²=4GB（在这里要注意一点，我们平常所说的32位CPU和64位CPU指的是CPU一次能够处理的数据宽度，即位宽，不是地址总线的数目）。自从64位CPU出现之后，一次便能够处理64位的数据了，其地址总线一般采用的是36位或者40位（即CPU能够寻址的物理地址空间为64GB或者1T）。在CPU访问其它任何部件的时候，都需要一个地址，就像一个快递员送快递，没有地址他是不知道往哪里送达的，举个例子，CPU想从显存单元读取数据，必须知道要读取的显存单元的实际物理地址才能实现读取操作，同样地，从内存条上的内存单元读取数据也需要知道内存单元的物理地址。换句话说，CPU访问任何存储单元必须知道其物理地址。

　　用户在使用计算机时能够访问的最大内存不单是由CPU地址总线的位数决定的，还需要考虑操作系统的实现。实际上用户在使用计算机时，进程所访问到的地址是逻辑地址，并不是真实的物理地址，这个逻辑地址是操作系统提供的，CPU在执行指令时需要先将指令的逻辑地址变换为物理地址才能对相应的存储单元进行数据的读取或者写入（注意逻辑地址和物理地址是一一对应的）。

　　对于32位的windows操作系统，其逻辑地址编码采用的地址位数是32位的，那么操作系统所提供的逻辑地址寻址范围是4GB，而在intel x86架构下，采用的是内存映射技术(Memory-Mapped I/O, MMIO)，也就说将4GB逻辑地址中一部分要划分出来与Bios ROM、CPU寄存器、I/O设备这些部件的物理地址进行映射，那么逻辑地址中能够与内存条的物理地址进行映射的空间肯定没有4GB了，看下面这幅图就明白了：

　　

　　所以当我们装了32位的windows操作系统，即使我们买了4GB的内存条，实际上能被操作系统访问到的肯定小于4GB，一般情况是3.2GB左右。假如说地址总线位数没有32位，比如说是20位，那么CPU能够寻址到1MB的物理地址空间，此时操作系统即使能支持4GB的逻辑地址空间并且假设内存条是4GB的，能够被用户访问到的空间不会大于1MB（当然此处不考虑虚拟内存技术），所以用户能够访问到的最大内存空间是由硬件和操作系统两者共同决定的，两者都有制约关系。

　　对于64位的操作系统，其逻辑地址编码采用的地址位数是40位，能够最大支持1T的逻辑地址空间。考虑一种情况，假如CPU是64位的，地址总线位数是40位，操作系统也是64位的，逻辑地址编码采用的地址位数也是40位，内存条大小是64GB，那么是不是内存条的64GB全部都能被利用了呢？答案是不一定，因为这里面还要考虑一个因素就是内存控制器，内存控制器位于北桥之内（现在基本都是放在CPU里面了），内存控制器的实际连接内存的地址线决定了可以支持的内存容量，也就是说内存控制器与内存槽实际连接的地址线如果没有40位的话，是无法完全利用64GB的内存条的存储空间的。当然对于内存控制器这个问题几乎可以不用考虑，因为现在大多数的内存控制器至少都采用的是40位地址总线。