Tại sao hệ thống x86-64 chỉ có không gian địa chỉ ảo 48 bit?

Trong một cuốn sách tôi đã đọc như sau:

Bộ xử lý 32 bit có 2 ^ 32 địa chỉ có thể, trong khi bộ xử lý 64 bit hiện tại có không gian địa chỉ 48 bit

Kỳ vọng của tôi là nếu đó là bộ xử lý 64-bit, không gian địa chỉ cũng phải là 2 ^ 64.

Vì vậy, tôi đã tự hỏi lý do cho hạn chế này là gì?

Vì đó là tất cả những gì cần thiết. 48 bit cung cấp cho bạn không gian địa chỉ 256 terabyte. Đó là rất nhiều. Bạn sẽ không sớm thấy một hệ thống cần nhiều hơn thế.

Vì vậy, các nhà sản xuất CPU đã đi đường tắt. Chúng sử dụng một tập lệnh cho phép không gian địa chỉ 64 bit đầy đủ, nhưng các CPU hiện tại chỉ sử dụng 48 bit thấp hơn. Giải pháp thay thế đã lãng phí các bóng bán dẫn vào việc xử lý một không gian địa chỉ lớn hơn mà sẽ không cần thiết trong nhiều năm.

Vì vậy, một khi chúng ta gần đến giới hạn 48 bit, vấn đề chỉ là giải phóng các CPU xử lý không gian địa chỉ đầy đủ, nhưng nó sẽ không yêu cầu bất kỳ thay đổi nào đối với tập lệnh và sẽ không phá vỡ khả năng tương thích.

Bất kỳ câu trả lời nào đề cập đến kích thước bus và bộ nhớ vật lý đều hơi nhầm lẫn, vì câu hỏi của OP là về không gian địa chỉ ảo chứ không phải không gian địa chỉ vật lý . Ví dụ, giới hạn được cho là tương tự trên một số 386 là giới hạn về bộ nhớ vật lý mà chúng có thể sử dụng, không phải không gian địa chỉ ảo, luôn là 32 bit đầy đủ. Về nguyên tắc, bạn có thể sử dụng đầy đủ 64 bit không gian địa chỉ ảo ngay cả khi chỉ có vài MB bộ nhớ vật lý; tất nhiên bạn có thể làm như vậy bằng cách hoán đổi hoặc cho các tác vụ chuyên biệt mà bạn muốn ánh xạ cùng một trang ở hầu hết các địa chỉ (ví dụ: một số hoạt động dữ liệu thưa thớt nhất định).

Tôi nghĩ câu trả lời thực sự là AMD chỉ đang rẻ tiền và hy vọng bây giờ không ai quan tâm, nhưng tôi không có tài liệu tham khảo để trích dẫn.

Đọc phần giới hạn của bài viết wikipedia :

Một PC không thể chứa 4 petabyte bộ nhớ (do kích thước của chip nhớ hiện tại nếu không có gì khác) nhưng AMD đã hình dung ra các máy chủ lớn, các cụm bộ nhớ chia sẻ và các cách sử dụng khác của không gian địa chỉ vật lý có thể tiếp cận điều này trong tương lai gần và 52 địa chỉ vật lý bit cung cấp không gian rộng rãi để mở rộng trong khi không phải chịu chi phí triển khai địa chỉ vật lý 64 bit

Đó là, không có ích gì khi triển khai địa chỉ 64 bit đầy đủ vào thời điểm này, bởi vì chúng tôi không thể xây dựng một hệ thống có thể sử dụng đầy đủ không gian địa chỉ như vậy - vì vậy chúng tôi chọn thứ gì đó thiết thực cho các hệ thống ngày nay (và tương lai).

Chiều rộng hoạt động / thanh ghi gốc bên trong không cần phải được phản ánh trong chiều rộng bus địa chỉ bên ngoài.

Giả sử bạn có bộ xử lý 64 bit chỉ cần truy cập 1 megabyte RAM. Một bus địa chỉ 20 bit là tất cả những gì được yêu cầu. Tại sao phải bận tâm đến chi phí và độ phức tạp phần cứng của tất cả các chân phụ mà bạn sẽ không sử dụng?

Motorola 68000 là như thế này; 32 bit bên trong, nhưng với một bus địa chỉ 23 bit (và một bus dữ liệu 16 bit). CPU có thể truy cập 16 megabyte RAM và để tải kiểu dữ liệu gốc (32 bit) cần hai lần truy cập bộ nhớ (mỗi lần mang 16 bit dữ liệu).

Có một lý do nghiêm trọng hơn là chỉ tiết kiệm bóng bán dẫn trong đường dẫn địa chỉ CPU: nếu bạn tăng kích thước của không gian địa chỉ, bạn cần tăng kích thước trang, tăng kích thước bảng trang hoặc có cấu trúc bảng trang sâu hơn (điều đó là nhiều cấp hơn của bảng dịch). Tất cả những điều này làm tăng chi phí bỏ lỡ TLB, làm ảnh hưởng đến hiệu suất.

Theo quan điểm của tôi, đây là kết quả từ kích thước trang. Mỗi trang tối đa chứa 4096/8 = 512 mục của bảng trang. Và 2 ^ 9 = 512. Vậy 9 * 4 + 12 = 48.

Để trả lời câu hỏi ban đầu: Không cần thêm nhiều hơn 48 Bit PA.

Máy chủ cần dung lượng bộ nhớ tối đa, vì vậy chúng ta hãy cố gắng tìm hiểu sâu hơn.

1) Cấu hình máy chủ lớn nhất (thường được sử dụng) là hệ thống 8 Socket. Một hệ thống 8S không là gì ngoài 8 CPU của Máy chủ được kết nối với nhau bằng một kết nối liên kết nhất quán tốc độ cao (hay đơn giản là một "bus" tốc độ cao) để tạo thành một nút duy nhất. Có những cụm lớn hơn ở đó nhưng chúng rất ít và ở giữa chúng, chúng ta đang nói về các cấu hình thường được sử dụng ở đây. Lưu ý rằng trong cách sử dụng thực tế, hệ thống 2 Socket là một trong những máy chủ được sử dụng phổ biến nhất và 8S thường được coi là rất cao cấp.

2) Các loại bộ nhớ chính được máy chủ sử dụng là bộ nhớ DRAM thông thường có thể định địa chỉ byte (ví dụ: bộ nhớ DDR3 / DDR4), Bộ nhớ được ánh xạ IO - MMIO (chẳng hạn như bộ nhớ được sử dụng bởi thẻ bổ trợ), cũng như Không gian cấu hình được sử dụng để cấu hình các thiết bị có trong hệ thống. Loại bộ nhớ đầu tiên là loại bộ nhớ thường lớn nhất (và do đó cần số lượng bit địa chỉ lớn nhất). Một số máy chủ cao cấp sử dụng một lượng lớn MMIO cũng tùy thuộc vào cấu hình thực tế của hệ thống.

3) Giả sử mỗi CPU máy chủ có thể chứa 16 DDR4 DIMM trong mỗi khe. Với kích thước tối đa DDR4 DIMM là 256GB. (Tùy thuộc vào phiên bản máy chủ, số lượng DIMM có thể có trên mỗi ổ cắm thực tế ít hơn 16 DIMM, nhưng hãy tiếp tục đọc vì lợi ích của ví dụ).

Vì vậy, mỗi socket về mặt lý thuyết có thể có 16 * 256GB = 4096GB = 4 TB. Đối với hệ thống 8S ví dụ của chúng tôi, kích thước DRAM có thể tối đa là 4 * 8 = 32 TB. Điều này có nghĩa là số bit tối đa cần thiết để giải quyết không gian DRAM này là 45 (= log2 32TB / log2 2).

Chúng tôi sẽ không đi vào chi tiết các loại bộ nhớ khác (MMIO, MMCFG, v.v.), nhưng vấn đề ở đây là loại bộ nhớ "đòi hỏi cao" nhất đối với hệ thống 8 Socket với các loại DIMM DDR4 lớn nhất hiện nay (256 GB DIMM) chỉ sử dụng 45 bit.

Đối với hệ điều hành hỗ trợ 48 bit (WS16 chẳng hạn), có (48-45 =) 3 bit còn lại. Điều đó có nghĩa là nếu chúng tôi chỉ sử dụng 45 bit thấp hơn cho 32TB DRAM, chúng tôi vẫn có 2 ^ 3 lần bộ nhớ địa chỉ có thể được sử dụng cho MMIO / MMCFG với tổng số 256 TB không gian địa chỉ.

Vì vậy, tóm lại: 1) 48 bit Địa chỉ vật lý là rất nhiều bit để hỗ trợ các hệ thống lớn nhất hiện nay được "tải đầy đủ" với lượng lớn DDR4 và nhiều thiết bị IO khác yêu cầu không gian MMIO. Chính xác là 256TB.

Lưu ý rằng không gian địa chỉ 256TB này (= 48bits địa chỉ vật lý) KHÔNG bao gồm bất kỳ ổ đĩa nào như ổ SATA vì chúng KHÔNG phải là một phần của bản đồ địa chỉ, chúng chỉ bao gồm bộ nhớ có thể định địa chỉ byte và được hiển thị với Hệ điều hành.

2) Phần cứng CPU có thể chọn triển khai 46, 48 hoặc> 48 bit tùy thuộc vào thế hệ máy chủ. Nhưng một yếu tố quan trọng khác là hệ điều hành nhận dạng được bao nhiêu bit. Ngày nay, WS16 hỗ trợ địa chỉ Vật lý 48 bit (= 256 TB).

Điều này có ý nghĩa gì đối với người dùng, mặc dù một máy chủ có CPU lớn, cực kỳ hiện đại có thể hỗ trợ> 48 bit địa chỉ, nếu bạn chạy một hệ điều hành chỉ hỗ trợ 48 bit PA, thì bạn chỉ có thể tận dụng 256 TB. .

3) Nhìn chung, có hai yếu tố chính để tận dụng số lượng bit địa chỉ cao hơn (= dung lượng bộ nhớ nhiều hơn).

a) CPU HW của bạn hỗ trợ bao nhiêu bit? (Điều này có thể được xác định bằng lệnh CPUID trong CPU Intel).

b) Bạn đang chạy phiên bản hệ điều hành nào và có bao nhiêu bit PA mà nó nhận ra / hỗ trợ.

Tối thiểu của (a, b) cuối cùng sẽ xác định lượng không gian có thể địa chỉ mà hệ thống của bạn có thể tận dụng.

Tôi đã viết câu trả lời này mà không xem xét chi tiết các câu trả lời khác. Ngoài ra, tôi chưa đi sâu vào chi tiết các sắc thái của MMIO, MMCFG và toàn bộ việc xây dựng bản đồ địa chỉ. Nhưng tôi hy vọng điều này sẽ giúp ích.

Cảm ơn, Anand K Enamandram, Kiến trúc sư nền tảng máy chủ Intel Corporation

Nhiều người có quan niệm sai lầm này. Nhưng tôi hứa với bạn nếu bạn đọc kỹ điều này, sau khi đọc xong mọi quan niệm sai lầm của bạn sẽ được sáng tỏ.

Để nói rằng một bộ xử lý 32 bit hoặc 64 bit không có nghĩa là nó phải có bus địa chỉ 32 bit hoặc bus địa chỉ 64 bit tương ứng! ... Tôi lặp lại điều đó KHÔNG ĐƯỢC !!

Bộ xử lý 32 bit có nghĩa là nó có ALU 32 bit (Đơn vị số học và logic) ... có nghĩa là nó có thể hoạt động trên toán hạng nhị phân 32 bit (hay nói đơn giản là một số nhị phân có 32 chữ số) và tương tự bộ xử lý 64 bit có thể hoạt động trên hệ nhị phân 64 bit toán hạng. Vì vậy, thời tiết một bộ xử lý 32 bit hoặc 64 bit KHÔNG biểu thị lượng bộ nhớ tối đa có thể được cài đặt. Chúng chỉ cho biết toán hạng có thể lớn đến mức nào ... (để tương tự, bạn có thể nghĩ về một máy tính 10 chữ số có thể tính toán kết quả lên đến 10 chữ số ... nó không thể cho chúng ta 11 chữ số hoặc bất kỳ kết quả nào lớn hơn ... mặc dù nó là trong số thập phân nhưng tôi đang nói với sự tương tự này cho đơn giản) ... nhưng những gì bạn đang nói là không gian địa chỉ là kích thước tối đa có thể giao tiếp trực tiếp của bộ nhớ (RAM). RAM ' Kích thước tối đa có thể của s được xác định bởi kích thước của bus địa chỉ và nó không phải là kích thước của bus dữ liệu hoặc thậm chí ALU mà kích thước của bộ xử lý được xác định (32/64 bit). Có nếu bộ xử lý có "Bus địa chỉ" 32 bit thì nó có thể định địa chỉ 2 ^ 32 byte = 4GB RAM (hoặc đối với 64 bit, nó sẽ là 2 ^ 64) ... nhưng nói bộ xử lý 32 bit hoặc 64 bit thì có không có gì liên quan đến không gian địa chỉ này (không gian địa chỉ = khoảng cách nó có thể truy cập vào bộ nhớ hoặc kích thước tối đa của RAM) và nó chỉ phụ thuộc vào kích thước của ALU của nó. Tất nhiên bus dữ liệu và bus địa chỉ có thể có cùng kích thước và khi đó có vẻ như bộ xử lý 32 bit có nghĩa là nó sẽ truy cập bộ nhớ 2 ^ 32 byte hoặc 4 GB ... nhưng đó chỉ là sự trùng hợp và nó sẽ không giống nhau cho tất cả.... ví dụ intel 8086 là một bộ xử lý 16 bit (vì nó có ALU 16 bit) vì vậy như bạn nói nó phải truy cập đến 2 ^ 16 byte = 64 KB bộ nhớ nhưng nó không đúng. Nó có thể truy cập tối đa 1 MB bộ nhớ vì có bus địa chỉ 20 bit .... Bạn có thể google nếu bạn còn nghi ngờ :)

Tôi nghĩ rằng tôi đã nói rõ quan điểm của mình. Bây giờ đến với câu hỏi của bạn ... vì bộ xử lý 64 bit không có nghĩa là nó phải có bus địa chỉ 64 bit nên không có gì sai khi có bus địa chỉ 48 bit trong bộ xử lý 64 bit ... họ đã giữ không gian địa chỉ nhỏ hơn để làm cho việc thiết kế và chế tạo rẻ hơn .... vì sẽ không ai sử dụng bộ nhớ lớn như vậy (2 ^ 64 byte) ... trong đó ngày nay 2 ^ 48 byte là quá đủ.

Không đúng khi chỉ 48 bit bậc thấp của 64 bit VA được sử dụng, ít nhất là với Intel 64. 16 bit trên được sử dụng, đại loại như vậy.

Phần 3.3.7.1 Định địa chỉ chuẩn trong Sách hướng dẫn dành cho nhà phát triển phần mềm kiến ​​trúc Intel® 64 và IA-32 cho biết:

một địa chỉ chuẩn phải có các bit từ 63 đến 48 được đặt thành số không hoặc số một (tùy thuộc vào việc bit 47 là số 0 hay số một)

Vì vậy, các bit 47 đến 63 tạo thành một siêu bit, tất cả là 1 hoặc tất cả 0. Nếu một địa chỉ không ở dạng chuẩn, thì việc triển khai sẽ bị lỗi.

Trên AArch64, điều này là khác nhau. Theo Tổng quan về Bộ hướng dẫn ARMv8 , đó là VA 49 bit.

Hệ thống dịch bộ nhớ AArch64 hỗ trợ địa chỉ ảo 49 bit (48 bit cho mỗi bảng dịch). Địa chỉ ảo được mở rộng ký hiệu từ 49 bit và được lưu trữ trong một con trỏ 64 bit. Theo tùy chọn, dưới sự kiểm soát của một thanh ghi hệ thống, 8 bit quan trọng nhất của con trỏ 64 bit có thể giữ một “thẻ” sẽ bị bỏ qua khi được sử dụng làm địa chỉ tải / cửa hàng hoặc mục tiêu của một nhánh gián tiếp

Một CPU được coi là "N-bit" chủ yếu dựa trên kích thước bus dữ liệu và phần lớn các thực thể của nó (kiến trúc bên trong) : Thanh ghi, Bộ tích lũy, Bộ số học-lôgic (ALU), Bộ lệnh, v.v. Ví dụ: CPU Motorola 6800 (hoặc Intel 8050) cũ tốt là CPU 8 bit. Nó có bus dữ liệu 8 bit, kiến ​​trúc bên trong 8 bit và bus địa chỉ 16 bit.

• Mặc dù CPU N-bit có thể có một số thực thể khác với kích thước N. Ví dụ, các impovments trong 6809 so với 6800 (cả hai đều là CPU 8 bit với bus dữ liệu 8 bit). Trong số những cải tiến đáng kể được giới thiệu trong 6809 là việc sử dụng hai bộ tích lũy 8 bit (A và B, có thể được kết hợp thành một thanh ghi 16 bit duy nhất, D), hai thanh ghi chỉ mục 16 bit (X, Y) và hai Con trỏ ngăn xếp 16 bit.