X86-64 sistemleri neden yalnızca 48 bit sanal adres alanına sahiptir?

Bir kitapta şunları okudum:

32 bit işlemcilerin 2 ^ 32 olası adresi varken, mevcut 64 bit işlemcilerin 48 bit adres alanı vardır

Beklentim, 64 bitlik bir işlemci ise adres alanının da 2 ^ 64 olması gerektiğiydi.

Bu yüzden bu sınırlamanın nedeni nedir merak ediyordum?

Çünkü gereken tek şey bu. 48 bit size 256 terabaytlık bir adres alanı sağlar. Bu çok fazla. Bundan daha fazlasına ihtiyaç duyan bir sistemi yakın zamanda görmeyeceksiniz.

Bu yüzden CPU üreticileri bir kısayol kullandı. Tam 64 bit adres alanına izin veren bir komut seti kullanırlar, ancak mevcut CPU'lar yalnızca daha düşük 48 biti kullanır. Alternatif, uzun yıllar ihtiyaç duyulmayacak daha büyük bir adres alanını kullanmak için transistörleri boşa harcamaktı.

Yani, 48 bitlik sınıra yaklaştığımızda, bu sadece tam adres alanını idare eden CPU'ları serbest bırakmak meselesi, ancak komut setinde herhangi bir değişiklik gerektirmeyecek ve uyumluluğu bozmayacaktır.

Veri yolu boyutuna ve fiziksel belleğe atıfta bulunan herhangi bir yanıt biraz yanlıştır, çünkü OP'nin sorusu fiziksel adres alanı değil sanal adres alanıyla ilgiliydi . Örneğin bazı 386'lardaki sözde benzer sınır, her zaman tam 32 bit olan sanal adres alanı değil, kullanabilecekleri fiziksel bellek üzerindeki bir sınırdı. Prensip olarak, yalnızca birkaç MB fiziksel bellekle bile tam 64 bit sanal adres alanı kullanabilirsiniz; elbette bunu değiştirerek veya aynı sayfayı çoğu adreste eşlemek istediğiniz özel görevler için (örneğin, belirli seyrek veri işlemleri) yapabilirsiniz.

Bence gerçek cevap, AMD'nin sadece ucuz olması ve kimsenin umursamayacağını umması, ancak alıntı yapacak referanslarım yok.

Wikipedia makalesinin sınırlamalar bölümünü okuyun :

Bir PC, 4 petabayt bellek içeremez (başka hiçbir şey olmasa da mevcut bellek yongalarının boyutu nedeniyle), ancak AMD büyük sunucular, paylaşılan bellek kümeleri ve öngörülebilir gelecekte buna yaklaşabilecek diğer fiziksel adres alanı kullanımlarını öngördü ve 52 bit fiziksel adres, 64 bit fiziksel adresleri uygulama maliyetine katlanmamakla birlikte genişleme için geniş alan sağlar

Yani, bu noktada tam 64 bit adreslemeyi uygulamanın bir anlamı yok, çünkü böyle bir adres alanını tam olarak kullanabilecek bir sistem kuramıyoruz - bu yüzden bugünün (ve yarının) sistemleri için pratik olan bir şey seçiyoruz.

Dahili yerel kayıt / işlem genişliğinin harici adres veriyolu genişliğine yansıtılmasına gerek yoktur .

Yalnızca 1 megabayt RAM'e erişmesi gereken 64 bit işlemciniz olduğunu varsayalım. Tüm gereken 20 bitlik bir adres veri yoludur. Kullanmayacağınız tüm ekstra pinlerin maliyeti ve donanım karmaşıklığıyla neden uğraşasınız?

Motorola 68000 böyleydi; Dahili olarak 32 bit, ancak 23 bit adres yolu (ve 16 bit veri yolu) ile. CPU, 16 megabayt RAM'e erişebiliyordu ve yerel veri türünü (32 bit) yüklemek için iki bellek erişimi gerekiyordu (her biri 16 bit veri taşıyordu).

Transistörleri CPU adres yolunda kaydetmekten daha ciddi bir neden vardır: adres alanının boyutunu artırırsanız, sayfa boyutunu artırmanız, sayfa tablolarının boyutunu artırmanız veya daha derin bir sayfa tablosu yapısına sahip olmanız gerekir ( daha fazla çeviri tablosu düzeyidir). Tüm bunlar, performansı düşüren bir TLB ıskalama maliyetini artırır.

Benim bakış açıma göre bu, sayfa boyutunun bir sonucudur. Her sayfa en fazla 4096/8 = 512 sayfa tablosu girişi içerir. Ve 2 ^ 9 = 512. Yani 9 * 4 + 12 = 48.

Orijinal soruyu cevaplamak için: 48 Bit PA eklemeye gerek yoktu.

Sunucular maksimum bellek miktarına ihtiyaç duyar, bu yüzden daha derine inmeye çalışalım.

1) En büyük (yaygın olarak kullanılan) sunucu yapılandırması 8 Soketli bir sistemdir. Bir 8S sistemi, tek bir düğüm oluşturmak için yüksek hızlı tutarlı bir ara bağlantı (veya basitçe, yüksek hızlı bir "veri yolu") ile bağlanan 8 Sunucu CPU'sundan başka bir şey değildir. Dışarıda daha büyük kümeler var, ancak bunlar çok az ve çok uzak, burada yaygın olarak kullanılan yapılandırmalardan bahsediyoruz. Gerçek dünyadaki kullanımlarda, 2 Soket sisteminin en yaygın kullanılan sunuculardan biri olduğunu ve 8S'nin genellikle çok yüksek son olarak kabul edildiğini unutmayın.

2) Sunucular tarafından kullanılan ana bellek türleri, bayt adreslenebilir normal DRAM bellek (örneğin, DDR3 / DDR4 bellek), Bellek Eşlemeli IO - MMIO (bir eklenti kartı tarafından kullanılan bellek gibi) ve yapılandırmak için kullanılan Yapılandırma Alanıdır. sistemde bulunan cihazlar. İlk bellek türü genellikle en büyük olanıdır (ve bu nedenle en fazla adres bitine ihtiyaç duyar). Bazı üst düzey sunucular, sistemin gerçek yapılandırmasının ne olduğuna bağlı olarak büyük miktarda MMIO kullanır.

3) Her sunucu CPU'sunun her yuvada 16 DDR4 DIMM barındırabileceğini varsayın. Maksimum 256 GB DDR4 DIMM boyutuyla. (Sunucunun sürümüne bağlı olarak, yuva başına bu olası DIMM sayısı aslında 16 DIMM'den azdır, ancak örnek için okumaya devam edin).

Yani her soket teorik olarak 16 * 256GB = 4096GB = 4 TB'ye sahip olabilir. Örnek 8S sistemimiz için DRAM boyutu maksimum 4 * 8 = 32 TB olabilir. Bu, bu DRAM alanını adreslemek için gereken maksimum bit sayısının 45 olduğu anlamına gelir (= log2 32TB / log2 2).

Diğer bellek türlerinin (MMIO, MMCFG vb.) Ayrıntılarına girmeyeceğiz, ancak buradaki nokta, bugün mevcut olan en büyük DDR4 DIMM türlerine (256 GB) sahip 8 Soketli bir sistem için en "talepkar" bellek türünün olmasıdır. DIMM'ler) yalnızca 45 bit kullanır.

48 biti destekleyen bir işletim sistemi için (örneğin WS16), kalan (48-45 =) 3 bit vardır. Bu, eğer daha düşük 45 biti yalnızca 32TB DRAM için kullanırsak, toplam 256 TB adreslenebilir alan için MMIO / MMCFG için kullanılabilen 2 ^ 3 kat adreslenebilir belleğe sahip olduğumuz anlamına gelir.

Özetlemek gerekirse: 1) 48 bitlik Fiziksel adres, bol miktarda DDR4 ile "tam olarak yüklenmiş" günümüzün en büyük sistemlerini ve ayrıca MMIO alanı gerektiren birçok diğer IO cihazını desteklemek için bol miktarda bittir. Tam olarak 256 TB.

Bu 256TB adres alanının (= 48 bit fiziksel adres) SATA sürücüleri gibi herhangi bir disk sürücüsünü İÇERMEDİĞİNİ unutmayın çünkü bunlar adres haritasının bir parçası DEĞİLDİR, yalnızca bayt adreslenebilir belleği içerir ve işletim sistemine açıktır.

2) CPU donanımı, sunucunun nesline bağlı olarak 46, 48 veya> 48 bit uygulamayı seçebilir. Ancak diğer bir önemli faktör, işletim sisteminin kaç biti tanıdığıdır. Bugün, WS16 48 bit Fiziksel adresleri (= 256 TB) desteklemektedir.

Bunun kullanıcı için anlamı, bir kişinin 48 bitten fazla adreslemeyi destekleyebilen büyük, ultra modern bir sunucu CPU'suna sahip olmasına rağmen, yalnızca 48 bit PA'yı destekleyen bir işletim sistemi çalıştırırsanız, yalnızca 256 TB'den yararlanabilirsiniz. .

3) Sonuç olarak, daha yüksek sayıda adres bitinden yararlanmak için iki ana faktör vardır (= daha fazla bellek kapasitesi).

a) CPU donanımınız kaç biti destekliyor? (Bu, Intel CPU'lardaki CPUID talimatı ile belirlenebilir).

b) Hangi işletim sistemi sürümünü çalıştırıyorsunuz ve kaç bit PA'yı tanıyor / destekliyor.

(A, b) 'nin minimum değeri, nihayetinde sisteminizin yararlanabileceği adreslenebilir alan miktarını belirleyecektir.

Bu cevabı diğer cevaplara detaylı olarak bakmadan yazdım. Ayrıca, MMIO, MMCFG'nin nüanslarını ve adres haritası yapısının bütününü ayrıntılı olarak incelemedim. Ama bunun yardımcı olacağını umuyorum.

Teşekkürler, Anand K Enamandram, Sunucu Platformu Mimarı Intel Corporation

Birçok insan bu yanılgıya sahiptir. Ama söz veriyorum, bunu dikkatlice okursanız, bunu okuduktan sonra tüm yanlış anlamalarınız netleşecektir.

Bir işlemcinin 32 bit veya 64 bit, sırasıyla 32 bit adres veriyoluna veya 64 bit adres veri yoluna sahip olması gerektiği anlamına gelmediğini söylemek için! ... Tekrar ediyorum DOESN'T !!

32 bit işlemci, 32 bit ALU'ya (Aritmetik ve Mantık Birimi) sahip olduğu anlamına gelir ... bu, 32 bit ikili işlenen üzerinde çalışabileceği (veya sadece 32 basamaklı bir ikili sayı söyleyerek) ve benzer şekilde 64 bit işlemcinin 64 bit ikili üzerinde çalışabileceği anlamına gelir. işlenen. Bu nedenle, bir işlemci 32 bit veya 64 bit, takılabilecek maksimum bellek miktarını GÖSTERMEZ. Sadece işlenenin ne kadar büyük olabileceğini gösteriyorlar ... (benzetme için 10 basamaklı bir hesap makinesinin sonuçları 10 basamağa kadar hesaplayabileceğini düşünebilirsiniz ... bize 11 basamak veya daha büyük bir sonuç veremez ... ondalık olarak ama bu benzetmeyi basitlik için söylüyorum) ... ama sizin söylediğiniz şey, doğrudan arabirimin maksimum bellek boyutu (RAM) olan adres alanıdır. Hafıza' Olası maksimum boyut, adres veriyolunun boyutuna göre belirlenir ve veri yolunun boyutu veya hatta işlemcinin boyutunun tanımlandığı ALU (32/64 bit) değildir. Evet, bir işlemcinin 32 bit "Adres veriyolu" varsa, o zaman 2 ^ 32 bayt = 4 GB RAM'i adresleyebilir (veya 64 bit için 2 ^ 64 olacaktır) ... ancak 32 bit veya 64 bit işlemcinin bu adres alanıyla hiçbir ilgisi yoktur (adres alanı = belleğe veya maksimum RAM boyutuna ne kadar erişebilir) ve yalnızca ALU'nun boyutuna bağlıdır. Elbette veri yolu ve adres yolu aynı boyutta olabilir ve o zaman 32 bit işlemci 2 ^ 32 bayt veya 4 GB belleğe erişeceği anlamına gelebilir ... ancak bu yalnızca bir tesadüf ve aynı olmayacak hepsi için.... örneğin intel 8086 16 bitlik bir işlemcidir (16 bit ALU'ya sahip olduğu için), sizin söylediğiniz gibi 2 ^ 16 bayt = 64 KB belleğe erişmiş olması gerekir, ancak bu doğru değil. 20 bit adres veriyoluna sahip olmak için 1 MB'a kadar belleğe erişebilir .... Herhangi bir şüpheniz varsa google'a gidebilirsiniz :)

Sanırım amacımı netleştirdim. Şimdi sorunuza gelince ... 64 bit işlemci 64 bit adres veriyoluna sahip olması gerektiği anlamına gelmez, bu nedenle 64 bit işlemcide 48 bit adres veriyolunun olması yanlış değildir. ... tasarımı ve üretimi ucuz hale getirmek için adres alanını daha küçük tuttular .... hiç kimse bu kadar büyük bir bellek (2 ^ 64 bayt) kullanmayacağından ... bugünlerde 2 ^ 48 bayt fazlasıyla yeterli.

En azından Intel 64 ile 64 bitlik bir VA'nın sadece düşük sıralı 48 bitinin kullanıldığı doğru değildir. Üstteki 16 bit, bir nevi kullanılır.

Bölüm 3.3.7.1 Intel® 64 ve IA-32 Mimarileri Yazılım Geliştirici Kılavuzundaki Kanonik Adresleme şunları söylüyor:

kanonik bir adres, 63'ten 48'e kadar olan bitleri sıfırlara veya birlere ayarlanmış olmalıdır (bit 47'nin sıfır veya bir olmasına bağlı olarak)

Dolayısıyla 47 ile 63 arasındaki bitler, hepsi 1 veya tümü 0 olmak üzere bir süper bit oluşturur. Bir adres kanonik biçimde değilse, uygulama hata vermelidir.

AArch64'te bu farklı. ARMv8 Komut Setine Genel Bakış'a göre , bu bir 49-bit VA'dır .

AArch64 bellek çeviri sistemi 49 bitlik bir sanal adresi (çeviri tablosu başına 48 bit) destekler. Sanal adresler 49 bitten imzayla genişletilir ve 64 bitlik bir işaretçi içinde saklanır. İsteğe bağlı olarak, bir sistem kaydının kontrolü altında, 64 bitlik bir işaretçinin en önemli 8 biti, bir yükleme / depolama adresi veya dolaylı bir dalın hedefi olarak kullanıldığında yok sayılacak bir "etiket" tutabilir.

Bir CPU, esas olarak veri yolu boyutuna ve varlıklarının büyük bir kısmına (dahili mimari) göre "N-bit" olarak kabul edilir : Yazmaçlar, Akümülatörler, Aritmetik-Mantık Birimi (ALU), Komut Seti, vb. Örneğin: Eski güzel Motorola 6800 (veya Intel 8050) CPU, 8 bitlik bir CPU'dur. 8 bitlik bir veri yoluna, 8 bitlik bir iç mimariye ve 16 bitlik bir adres yoluna sahiptir.

• N-bit CPU olmasına rağmen, N-boyutlu öğelerden başka bazı öğeler olabilir. Örneğin 6809'daki 6800 üzerindeki iyileştirmeler (her ikisi de 8 bit veri yollu 8 bit CPU'dur). 6809'da sunulan önemli geliştirmeler arasında iki adet 8 bitlik akümülatör (A ve B, tek bir 16 bitlik kayıtta birleştirilebilir, D), iki 16 bitlik indeks kaydı (X, Y) ve iki 16 bit yığın işaretçileri.