关于CPU位数，OS位数以及内存大小关系的一点总结

（这个学期做助教，说来好惭愧啊，虽然我也是考研进来的，但是就在两年前复习的资料居然全部都忘光了。对大二的孩子们提问的问题多半都解决不了！！！越来越觉得自己的学习方法有问题了，总是想着一些知识能够根据自己多看几遍印象就深刻了，或者说每次记忆知识时总是想下次再记在脑海里吧！这样导致很多东西必须看资料才能想起来：啊原来是这样的，我看过啊，我知道的啊！这样的陋习一定要赶紧改正了，每次学习一个新的知识，都要记在脑海里，深刻地理解一下！！！）

1. CPU位数：一个时钟周期内处理器处理的二进制位数。

CPU位数 = CPU中寄存器的位数 = CPU一次并行处理的数据宽度

CPU为了实现其功能一般设计了指令集，即是CPU的全部指令，这就是机器语言。计算机的所有功能都是基于CPU的指令集。

如Intel 8086 CPU 是16位，其指令集也是16位。如Intel 80386DX CPU 是32位，其指令集也是32位，但它也保持原16位指令集，这是为了向上兼容。

2. 操作系统位数

操作系统位数 = 其所依赖的指令集位数 <= CPU位数

操作系统位数对CPU位数有向上兼容，如32位CPU上运行16操作系统，64位CPU上运行32位操作系统等情况。

3. 内存容量与操作系统位数的关系。（有种说法是：32位操作系统最大只能支持4G内存）

在使用计算机时，其支持的最大内存是由操作系统和硬件两方面决定的。

在早期的PC机中，采用的是三总线结构：数据总线，地址总线和控制总线。分别来实现不同的功能：数据总线用来传输数据，地址总线用来传输地址，控制总线用来传输一些控制信号。但在现在的PC机中，一般使用了总线复用功能。如在PCI总线中，地址总线和数据总线总是分时复用的（也就是说假如PCI总线有32为数据总线，这32位数据总线在某个时刻传输数据，在下一个时刻却用来充当地址总线的作用）。

回顾了关于总线的一点知识后，先来说硬件方面对内存容量的控制作用。

在计算机中地址总线的数目决定了CPU的寻址范围，这种由地址总线对应的地址称为 物理地址。

先说一下硬件方面的因素，在上面已经提到了地址总线，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）。CPU访问任何存储单元必须知道其物理地址。

再说说物理地址，线性地址，逻辑地址的关系：

1） 物理地址（Physical Address）： 刚刚讲过了，由CPU地址总线的位数决定。

2） 线性地址（Linear Address）： 如果没有开启分页机制，线性地址就等于物理地址。如果开启了分页机制，线性地址到物理地址需要经过二级地址转换。线性地址可以很大，但最终要运行在物理地址上，而缺页机制和进程挂起等，就是为了让远比物理内存大的程序，运行在如此小的物理内存中。在网上看到一个例子，生动又形象：好比公交车上让座，假设座位是内存，其他站立空间是硬盘，刚上车的时候你很高兴，你和你女朋友（进程A，B）都有座位（进入内存）,如果此时，有个孕妇上车了，售票员大姐（操作系统）发现了，"孕妇优先"，于是开始问"谁给孕妇让个座啊"（进程调度），不过很不幸，这个系统是非抢占式的，孕妇（进程S）只好等待，作为一个有理想有道德的程序猿（优先级低），当仁不让，自己站了起来了（进程挂起），操作系统一看，有个家伙把座椅（内存）释放出来了，于是排队等候的孕妇就坐到了你原来的位置，你切换到公交地板上（硬盘）。车到某站，孕妇下车了，于是你重新坐上座位（内存占有），在公家车的整个运营过程中，座位（内存）是有限的，而人不不断上下，所以人上来首先站在车厢内，然后根据各种成文的，不成文的规矩，占有或者释放内存（座位）。座位是有限的，而人相对来说是无限的，怎么利用有限的资源，服务更多的进程，这或许是操作系统应该考虑的。

3） 逻辑地址（Logical Address）： 指分段机制提供的地址，由段部分和一个便宜部分构成。段机制是虚拟地址到线性地址的基础。线性地址 = 段基址 + 偏移地址。例如，你在进行C语言指针编程中，可以读取指针变量本身值(&操作)，实际上这个值就是逻辑地址，它是相对于你当前进程数据段的地址，不和绝对物理地址相干。应用程序员仅需与逻辑地址打交道，而分段和分页机制对您来说是完全透明的，仅由系统编程人员涉及。应用程序员虽然自己可以直接操作内存，那也只能在操作系统给你分配的内存段操作。

这三种地址关系为，逻辑地址经过段式映射（Segmentation Translation）到线性地址。线性地址经过页面映射（Page Translation）后，得到物理地址。

言归正传，再说说操作系统对内存容量的控制作用。

在上面中有提到，用户使用计算机时，直接操纵的只能是逻辑地址，要经过操作系统的转换后才能变换为物理地址。如对于32位的操作系统而言，其逻辑地址编码采用的地址位数是32位，那么操作系统所提供的逻辑地址寻址范围为：2³² = 2² * 2³⁰ = 4GB（所以在32位CPU和32位的操作系统中，最大支持的内存为4G）。但是理论上是4G的内存，在我们真正使用时并不到4G，大约只有3.2G左右。这是因为在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。

参考文献：

【1】http://blog.csdn.net/ray_zhang_3/article/details/5447140

【2】http://www.cnblogs.com/dolphin0520/archive/2013/05/31/3110555.html

【3】http://bbs.51cto.com/thread-1089741-1.html

【4】http://blog.csdn.net/macrossdzh/article/details/5954763

【5】http://laoxu.blog.51cto.com/4120547/1166661

【6】http://ilinuxkernel.com/?p=414

【7】http://blog.csdn.net/linpeng12358/article/details/41450805