线路位宽与 CPU 位宽

操作系统小议

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背景知识

总线

总线是用于 CPU 和内存以及其他设备之间的通信，总线可分为 3 种：

• 地址总线，用于指定 CPU 将要操作的内存地址；
• 数据总线，用于读写内存的数据；
• 控制总线，用于发送和接收信号，比如中断、设备复位等信号，CPU 收到信号后自然进行响应，这时也需要控制总线；

• 流程

当 CPU 要读写内存数据的时候，一般需要通过下面这三个总线：

首先要通过「地址总线」来指定内存的地址；
然后通过「控制总线」控制是读或写命令；
最后通过「数据总线」来传输数据；

一、线路位宽与 CPU 位宽

结论：

操作系统的位数，指的是线路位宽，也就是指地址总线的位数。
俗称大家说的32位和64位电脑

通常说的操作系统的位数，指的是地址总线的位宽，32位操作系统地址总线根数就是32。而线路位宽是与内存紧密相关的，因为内存是通过地址总线来进行寻址的。
CPU位宽与线路位宽没有直接的联系。

1.1 CPU位宽。

CPU位宽是指一次可以计算数据的bit数。有CPU在计算时，数据需要先保存在寄存器中，因此CPU位宽一般就是指寄存器的位数。如32CPU一次可以计算32bit的数据，64位CPU一次可以计算64bit的数据。
要 CPU 操作 4G 大的内存，那么就需要 32 条地址总线，因为 2 ^ 32 = 4G。

1.2 线路位宽

操作系统位宽一般就是指线路位宽。程序在执行时，需要通过地址总线去内存中找到对应数据或指令的地址。线路位宽就是指地址总线有多少根。

二、解释

首先，要明白内存是储存单元的集合，每个储存单元对应一个物理地址 ，目前大多数计算机都是按照字节（Byte）编址的，8bit占用一个物理地址，也就是说一个物理地址对应1Byte的内存。
每根地址总线可以高电平（对应1）或低电平（对应0），相当于一根地址总线对应一个bit，因此，若是32根地址总线，那么就可以得到一个32bit的地址，地址的范围为0 ~ 2^32，由于每个地址对应1Byte的数据，因此内存的大小为 2^32 Byte，也就是4GB。
这就是为什么32位操作系统，一般内存最大就是4GB，因为内存大于4GB，操作系统也没法一次寻址，内存就显得有些浪费。
顺便再说一下，为什么不同的操作系统，C/C++ 指针变量的大小不一样？比如32位操作系统中，指针变量大小为4 Byte，64位系统为8 Byte。
这是因为指针的值的含义就是内存地址，在32位系统中，寻址的最大值为2^32，地址编码为0 ~ 2^32，刚好可以用一个32bit的数据来表示，也就是4 Byte。同样对于64位操作系统，寻址的最大值为2^64，需要用一个64 bit的数表示，也就是8 Byte。

线路位宽与内存的联系

程序在运行的时候，需要先加载到内存中，然后CPU根据地址总线去读取内存中的指令或数据。内存中的地址已byte进行编号，比如第一个byte编号为0x01，第二个地址编号为0x02 。。。如果是32为地址总线，那么可以得到一个32位的二进制数据，范围为 0 ~ 2^32， 因此32位操作操作系统（32位线宽）可以寻址的地址范围为4GB （每个地址都对应1Byte的内存）。所以说32位的操作系统最大寻址的内存是4GB。