问题

386处理器的64TB的虚拟寻址空间,对我们的使用,有什么现实意义吗?

回答
我们来聊聊386处理器那个曾经让很多人眼前一亮的64TB虚拟寻址空间,以及它对我们实际使用到底有多大意义。

首先,得明确一点,386处理器是16位的时代向32位的迈进,它引入了一个非常重要的概念:分段与页式内存管理相结合。在386之前,比如8086/8088,直接寻址能力非常有限(1MB),为了突破这个限制,就用了分段机制,但这种机制管理起来比较麻烦,而且有个“段内16位寻址”的固有限制。

386处理器的64TB虚拟寻址空间,实际上是它在理论上能够“看到”的最大内存范围。这里的关键词是“虚拟”,这和我们实际插在电脑上的内存条容量是两码事。它是一个抽象的概念,是操作系统和硬件配合,给每个运行的程序提供一个独立的、看似巨大的地址空间。

那么,这个64TB对当年(也就是386处理器盛行的时代)有什么现实意义呢?

1. 突破了早期PC的内存瓶颈: 在386时代,PC机的物理内存容量远达不到TB级别,甚至连MB级别都很奢侈。主流的配置可能也就几MB到几十MB。但是,用户和开发者却面临着这样的需求:
运行更复杂的程序: 像Windows 3.x这样的图形界面操作系统,以及后来的Windows 95/98,都需要比DOS时代多得多的内存来运行。编程语言的编译器、数据库软件、CAD软件等等,都需要更大的内存来加载代码和数据。
多任务处理: 用户希望同时运行多个程序,比如一边听音乐,一边浏览网页,一边写文档。这需要将每个程序的代码和数据都加载到内存中,这就对内存容量提出了更高的要求。
大型数据集处理: 虽然当时的数据量远不及现在,但一些科学计算、工程模拟等领域,确实需要处理相对较大的数据集。

64TB的虚拟寻址空间,意味着操作系统可以巧妙地利用内存管理单元(MMU)和硬盘(通过页面文件/交换分区)来“欺骗”程序,让它们以为自己拥有一个非常大的连续内存空间。当程序需要的数据不在物理内存中时,操作系统就把它从硬盘上“拉”过来,放到物理内存里,而把暂时用不上的数据“推”回硬盘。这个过程对用户来说是透明的,极大地提升了程序的可用性和系统的多任务能力。

2. 为现代操作系统的诞生奠定了基础: 没有386的32位虚拟寻址能力,像Windows NT(后来演变成Windows 2000、XP、Server等系列)这种真正意义上的多任务、多进程、带有保护模式的操作系统是无法实现的。早期的DOS系统,程序是直接访问物理内存的,一旦一个程序出错,很容易影响到其他程序甚至整个系统崩溃。而386的虚拟寻址和保护模式,为每个进程创建了独立的地址空间,阻止了一个进程干扰另一个进程,也阻止了程序直接访问硬件,这大大提高了系统的稳定性和安全性。

3. 解决了早期分段机制的麻烦: 在386之前,程序员需要非常精细地管理段寄存器,手动处理内存的分割和切换。这使得编程复杂,容易出错。386的页式内存管理(每个页大小通常是4KB)将虚拟地址映射到物理地址,使得内存管理更加自动化和高效,程序员可以将注意力更多地放在程序逻辑上,而不是底层的内存细节。

那对我们“现在”使用有什么意义呢?

对于我们今天的PC和服务器用户来说,386处理器及其64TB的虚拟寻址能力,其直接的、感性的意义已经非常非常小了。原因非常简单:

1. 物理内存的飞跃: 如今,一台普通PC可能就配备了8GB、16GB甚至32GB的物理内存,而高性能工作站和服务器的内存容量更是以百GB、TB为单位计算。相比之下,386的虚拟寻址上限已经显得微不足道。
2. CPU架构的进步: 现代CPU已经是64位架构了。64位处理器理论上可以寻址的虚拟空间是2^64字节,这是一个天文数字(约16EB,即16百万TB)。所以,我们现在谈论的内存容量和虚拟寻址,已经是“万亿”级别的概念了。
3. 应用需求的改变: 如今的应用程序,尤其是那些涉及大数据处理、人工智能、图形渲染、大型游戏等领域,对内存的需求是几何级增长的。虽然64TB在当时是个巨大的数字,但放在今天,对于一些特定的计算任务来说,可能也显得不够用了。

但是,它的“间接”意义依然存在,而且非常重要:

奠定了现代操作系统的基石: 386处理器开创的内存管理思想和虚拟寻址机制,是现代所有主流操作系统(Windows、macOS、Linux)的核心技术之一。我们今天所享受的稳定、高效、多任务的计算体验,都离不开那个时期在内存管理上的关键突破。每一次你打开一个新的程序,操作系统都在背后默默地为你分配和管理着虚拟内存空间。
培养了早期开发者和工程师的思维模式: 那些在386时代摸爬滚打过来的程序员和系统工程师,他们对内存管理、进程隔离、虚拟化等概念的理解,为后来的技术发展积累了宝贵的经验。

总而言之, 386处理器提供的64TB虚拟寻址空间,在它那个时代,是革命性的。它让更强大、更稳定的操作系统和更复杂的应用程序成为可能,也极大地提升了用户体验。但随着技术的飞速发展,这个数字对我们今天的直接感知而言已经不重要了。它的重要性更多地体现在它开创性的技术理念和对后世操作系统的深远影响上,是我们今天享受现代计算便利性的历史根源之一。就好比我们今天用着智能手机,不会去想当初大哥大电池那么大、信号那么差,但如果没有大哥大,就没有后来的手机发展。

网友意见

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没意义,或者说书是错的。

书的意思是想表达【段:地址】的总组合数是64TB,但这个组合数对实际编程而言没有任何意义。

因为对于CPU来说,CS:EIP或者SS:ESP这种逻辑地址的形式,最终都要翻译成线性地址的,不管前面的组合有多少种,32位模式下线性地址的地址空间只有4G,在这里就限制死了,根本不存在64TB一说。

或者更直观的说FFF0:FFFFFFFF和0008:00000000看着差别很大,但永远都限制在4G线性地址空间内,不管这种组合有多少种。写书的人是从16位时代过来的,16位时代【段:地址】的组合还有点意义,到32位时代就完全变了。

而且,书上用“虚拟空间”的说法也明显不妥,应该是作者自己生造的概念,如果是指虚地址的话,虚地址空间也只有4G(32位模式下)。

另外,有没有特权指令权限也是没有用的,不管怎么改变GDTR或者LDTR,线性地址只有4G,访问超过4G物理地址是通过扩展页表实现的,不是通过段实现的。

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