为什么32位操作系统最多只能支持4GB内存？

也许每个人都熟悉这个问题. 实际安装了系统并使用计算机的朋友可能会遇到这种情况: 他们的计算机配备了4G记忆棒，但是安装系统后，他们发现计算机仅显示3.2可用内存，其他内存在哪里. 走？互联网上的许多朋友也提供了一些说明，我认为其中大部分都没有清楚地说明. 今天，我们将探讨具体原因.

在此之前，让我们学习一些有关计算机系统结构和PC硬件的知识.

公交车结构和主板组成

说到公共汽车，每个人对它都不陌生，每个人都必须对付它. 使用USB闪存驱动器复制数据时，必须首先通过USB接口将USB闪存驱动器连接到计算机以进行复制. USB接口实际上是一种总线，通常称为USB总线（也称为通用串行总线）. 很久以前没有USB总线了. 那时，每个设备都使用自己的接口标准. 举一个最简单的例子: 鼠标制造商使用特定于鼠标的接口，而键盘制造商使用特定于键盘的接口. 如果是这样，则PC必须提供许多接口，这会增加硬件设计的难度和成本. 在USB接口出现之前，它统一了许多设备接口的标准，这不仅使用户可以轻松连接某些设备，而且还增强了PC的可扩展性. 因此，现在可以将您看到的鼠标，键盘，U盘，打印机等通过USB接口直接插入计算机.

总线是计算机系统中非常重要的概念. 正是由于总线，所有组件才能一起工作并正常协作. 早在PC中，就采用了三总线结构，即: 数据总线，地址总线和控制总线. 它们用于传输不同类型的数据，数据总线用于传输数据，地址总线用于传输地址，控制总线用于传输某些控制信号. 下图清楚地显示了三总线结构:

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随着时代的发展，这种简单的总线结构逐渐被淘汰. 下图是现代计算中使用的结构:

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实际上，这也是现代主板采用的结构. 当然，某些部分可能会略有不同（总体结构相似）. 仔细观察主板组成的朋友可能对上图很熟悉. 主板上有两个主要部分: 北桥（也称为主机桥）和南桥. 北桥主要负责CPU，内存和图形卡的数据传输，而南桥主要负责I / O设备，外部存储设备和BIOS之间的通信. 现在有些主板没有北桥，因为芯片制造商已经将北桥的功能直接集成到了CPU中（但暂时，我们将在上图中讨论该模型）.

在上图中，我没有画数据总线和地址总线等，因为它们集成在某些总线标准中，例如PCI总线，地址总线和数据总线始终是分时复用的使用（即，如果PCI总线具有32位数据总线，则此32位总线可以在某一时刻充当数据总线，并在下一时刻充当地址总线）. 有些总线同时提供数据总线和地址总线.

让我们谈谈主要巴士和南北桥的功能:

FSB总线: 前端总线（Front Side Bus），CPU和北桥之间的桥接器，CPU和北桥所传输的所有数据都必须通过FSB总线. 可以说，FSB总线的频率直接影响CPU访问内存的速度.

北桥: 北桥是CPU，内存，图形卡和其他组件之间进行数据交换的唯一桥，这意味着CPU必须通过北桥才能与任何其他部件通信. 存储器控制器通常集成在北桥芯片中，以控制与存储器的通信. 北桥在当前主板上不再可见，其功能已集成到CPU中.

PCI总线: PCI总线是一种高性能的本地总线，不受CPU的限制，并在CPU和设备之间形成高速通道. 例如，当前的图形卡通常使用PCI插槽，并且PCI总线具有较快的传输速度，可以很好地允许图形卡和CPU交换数据.

南桥: 主要负责I / O设备之间的通信. 如果CPU要访问设备，则必须通过南桥芯片.

了解了这些基本知识之后，我们来解释一下为什么32位系统仅支持最大4GB的内存.

原因

使用计算机时，支持的最大内存由操作系统和硬件确定.

让我们先谈谈硬件因素. 上面已经提到了地址总线. 计算机中CPU地址总线的数量决定了CPU的寻址范围. 对应于地址总线的该地址称为物理地址. 如果CPU具有32条地址总线（通常32位CPU的地址总线为32位，而某些32位CPU地址总线为36位，例如服务器的CPU），则可寻址物理地址范围是232 = 4GB（此处要注意一点，我们通常指的32位CPU和64位CPU指的是CPU一次可以处理的数据宽度，即位宽度，而不是数字地址总线）. 由于出现了64位CPU，因此可以一次处理64位数据. 地址总线通​​常使用36位或40位（即CPU可以寻址的物理地址空间为64GB或1T）. 当CPU访问任何其他组件时，它需要一个地址，就像传递快递的快递员一样. 没有地址，他不知道送货到哪里. 例如，如果CPU要从视频存储单元读取数据，则它必须知道可以读取读取的视频存储单元的实际物理地址. 同样，要从存储条上的存储单元读取数据，还必须知道存储单元的物理地址. 换句话说，CPU必须知道其物理地址才能访问任何存储单元.

用户使用计算机时可以访问的最大内存不仅取决于CPU地址总线的位数，还取决于操作系统的实现. 实际上，当用户使用计算机时，进程访问的地址是逻辑地址，而不是实际的物理地址. 该逻辑地址由操作系统提供. 在执行指令之前，CPU需要将指令的逻辑地址转换为物理地址. 仅用于向相应的存储单元读取或写入数据（请注意，逻辑地址和物理地址是一一对应的）.

对于32位Windows操作系统，逻辑地址编码中使用的地址位数为32位，因此操作系统提供的逻辑地址寻址范围为4GB，并且在intel x86架构下，内存为使用的映射技术（内存映射的I / O，MMIO），也就是说，应该划分4GB逻辑地址的一部分，并与BIOS ROM，CPU寄存器，I / O设备和则逻辑地址可以为. 映射内存条物理地址的空间绝对不是4GB. 请看下面的图片以了解:

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因此，当我们安装32位Windows操作系统时，即使我们购买了4GB的记忆棒，操作系统的实际访问量也必须小于4GB，一般情况下约为3.2GB. 如果地址总线位数不是32位（例如20位），则CPU可以寻址1MB的物理地址空间. 这时，即使操作系统可以支持4GB的逻辑地址空间，并且假设记忆棒为4GB，也可以将其设置为: 用户访问的空间不会大于1MB（当然，虚拟内存技术不是因此，用户可以访问的最大内存空间由硬件和操作系统共同决定，并且都有限制.

对于64位操作系统，其逻辑地址编码中使用的地址位数为40位，最多可支持1T逻辑地址空间. 考虑一种情况. 如果CPU是64位，地址总线位是40位，操作系统也是64位，逻辑地址编码使用的地址位也是40位，并且记忆棒的大小是64GB，那么记忆棒？可以使用全部64GB吗？答案并不一定，因为要考虑的另一个因素是内存控制器，该内存控制器位于北桥（现在基本上位于CPU中），连接到内存的内存控制器的实际地址线决定了支持的内存容量，即如果实际连接到内存控制器和内存插槽之间的地址线没有40位，则64GB内存条的存储空间将无法充分利用. 当然，几乎不考虑内存控制器，因为现在大多数内存控制器至少使用40位地址总线.

关于这个问题已经讲了很多，对进一步研究感兴趣的朋友可以自己检查更多信息.

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