为什么 32 位 CPU 最大支持 4G 内存

Question

要解答这个问题需要先了解 CPU 如何从内存中读取数据。

上图展示了 CPU 和内存之间存在的 3 条系统总线，分别是 数据总线 、 地址总线 和 控制总线 ，分别用于传输内存数据、传输内存地址以及控制内存读写。当 CPU 需要从内存（某个地址）中读取数据时，会分别经历以下几个流程：

1. 寻址阶段：首先，CPU 的地址寄存器存储目标内存地址。这个地址通常来自程序代码中的某个指令，例如加载指令（如 x86 中的 MOV、ARM 中的 LDR 等）。
2. 发起请求：CPU 发出一个内存读取请求。为此，CPU 将内存地址放在地址总线上，然后在控制总线上设置一个读信号，指示内存访问单元（如北桥或直接内存控制器等）进行读操作。
3. 总线传输：控制总线传输一个读信号，地址总线传输内存地址。这个过程可能涉及到某种计算机内的内存映射、地址翻译（例如虚拟地址到物理地址）等步骤。
4. 内存响应：内存控制器定位需要访问的内存单元，读取数据，并将数据放到数据总线上。
5. 数据放置到寄存器：CPU 从数据总线上获取数据，并将其保存到对应的寄存器中。在这个过程中，数据通过 CPU 的缓存（如 L1，L2，L3 等缓存）传输。操作完成后，数据将保存在 CPU 寄存器中，并可供后面的指令使用。

简化一下就是，CPU 需要读取 0xc000108000 地址的数据，它先将地址通过 MMU 单元转换为真实的内存地址，然后再将地址通过地址总线传输给内存，同时通过控制总线发送一个读取信号，表示要读取这个地址的数据。内存读取数据后，将数据通过数据总线传回内存。

上面读取内存数据的流程涉及到内存地址的传输，而内存地址传输需要地址总线，但地址总线位宽是有限的（每次能传输的数据有限），N 位的每次最多能传输 N bit 数据，也就是 0~2^N-1。当 N 等于 32 时，2^N-1 正好等于 4G。

举个例子，假如一个村庄的所有房间都需要通过门牌号才能定位到房间位置，那如果只有 100 个门牌号，即使村庄建了 101 间房，因为第 101 间房无法分配到门牌号致使它无法被定位，也就无人知道有这间房，从而变成了“鬼屋”。

扩展阅读

计算机中有一个概念叫 machine word （机器字），在 32 位系统下，它的长度为 4 个字节，64 位下为 8 个字节。操作系统可以原子的读写一个机器字，利用这个特性可以实现很多原子操作，我在后面的文章中会逐步分享。