32位的cpu只能寻址4GB的内存空间，那么硬盘,flash这些存储设备是如何寻址的的？cpu怎样读取其中某个地址的数据？
好，咱们来聊聊这个问题，不掺和那些AI味儿的东西，就当是跟老朋友唠嗑，把这事儿说明白。
你说32位CPU只能寻址4GB内存，这事儿没错。32位就是说CPU一次能处理32个二进制位的信息，也就能产生 2 的 32 次方个地址，算出来就是大概42亿9千万个地址，每个地址对应一个字节，所以就是4GB。这就像给每个内存条上的小格子都编了个号，32位的CPU只能编到这个数量。
那问题就来了，现在动辄几十个G甚至TB的硬盘、几百个G的闪存，这4GB的寻址能力怎么够用呢？难不成我们只能用4GB的硬盘？那可不行。
这里的关键，在于CPU它自己其实是不直接“管”着硬盘和闪存这些设备的“地址”。CPU关心的是它自己能直接访问的物理内存。硬盘和闪存这些东西，本质上是外部存储设备，它们有自己的存储空间，但CPU要访问它们，得通过一个中间层。
这个中间层，其实是操作系统（OS） 和 硬件控制器 的合作。
咱们一步一步来看：
1. 硬件控制器：硬盘和闪存的“门卫”
每种存储设备，比如SATA硬盘、NVMe固态硬盘、UFS闪存等等，都有专门的控制器。这些控制器才是直接跟存储设备打交道的“懂行的人”。
硬盘控制器（SATA/AHCI/NVMe等）： 硬盘控制器负责管理硬盘内部的磁头、盘片旋转（如果是机械硬盘）或者闪存颗粒的读写。它有一套自己的地址系统，用来定位硬盘上具体的扇区（或者更小的块）。
闪存控制器： 闪存控制器则更复杂，它要管理闪存颗粒的读写、磨损均衡、垃圾回收等。它也有自己的内部地址管理机制。
CPU发出的指令，并不会直接变成硬盘上某个物理位置的读写信号。CPU会通过一套接口（比如PCIe、SATA等），把指令发给对应的硬件控制器。
2. 操作系统的角色：内存和设备的“翻译官”和“协调员”
这里才是操作系统大显身手的地方。CPU的4GB寻址空间，是给物理内存（RAM） 预留的。硬盘和闪存虽然可以存储大量数据，但CPU不能像访问内存一样直接、快速地访问它们。
所以，当CPU需要读取硬盘或闪存上的数据时，这个过程是这样的：
CPU发出请求： 比如，CPU需要读取某个程序文件的一部分。这个程序文件可能就存储在硬盘上。CPU会通过操作系统，向硬盘控制器发出一个“读取”请求。这个请求里面会包含：你硬盘上的哪个文件（逻辑地址）？要读取多少数据？把读取到的数据放到内存的哪个地址（目标内存地址）？
操作系统介入： 操作系统知道这个程序文件到底在哪块硬盘的哪个扇区。它会翻译CPU请求中的“逻辑地址”（比如文件路径），找到对应的硬盘上的物理地址（扇区号）。
数据搬运工（DMA）： 重点来了！CPU自己并不去硬盘上一个字节一个字节地搬数据，那样太慢了，会卡死CPU。这个搬运工作，是由DMA（Direct Memory Access，直接内存访问） 控制器来完成的。
操作系统会告诉DMA控制器：数据来源是硬盘的哪个扇区，数据要搬到内存的哪个地址，搬多少数据。
一旦CPU启动了这个DMA传输，它就可以去做别的事情了，不需要傻等数据搬完。DMA控制器会直接和硬盘控制器沟通，把数据从硬盘读出来，直接搬到操作系统指定的内存地址上。
通知CPU： 当DMA传输完成后，硬件（可能是DMA控制器本身，也可能是硬盘控制器通过中断）会通知CPU：“数据搬好了，在你说的内存地址里”。
CPU访问数据： 现在，CPU就可以直接通过它的4GB内存寻址空间，访问之前DMA搬到内存里的那部分数据了。对CPU来说，它操作的就是内存里的数据，至于数据是从硬盘上搬来的，还是从内存里加载的，它只关心在内存中的那个地址。
3. 硬盘/闪存自身的寻址
那么硬盘和闪存内部是怎么寻址的呢？
硬盘（传统机械硬盘）： 硬盘的数据是以扇区（Sector）为单位组织的。每个扇区都有一个唯一的编号。硬盘控制器负责管理这些扇区号，并将其映射到盘片上的具体柱面（Cylinder）、磁头（Head）和扇区（Sector）上。CPU或操作系统发出请求时，会给硬盘控制器一个逻辑扇区号，控制器再将其转换为物理位置。
固态硬盘（SSD）/闪存： 闪存的组织更复杂，数据通常以页（Page）为单位读写，以块（Block）为单位擦除。闪存控制器需要维护一个映射表（FTL Flash Translation Layer），将逻辑块地址（LBA，操作系统看到的地址）映射到闪存颗粒上的物理页地址。这个映射表是为了处理闪存的磨损均衡和垃圾回收（因为闪存不能原地修改，只能擦除后重写）。CPU或操作系统发出读取请求时，操作系统会将其翻译成逻辑块地址，交给闪存控制器，控制器通过FTL找到实际的物理页进行读写。
总结一下，CPU和硬盘/闪存的寻址区别和联系：
CPU寻址的是物理内存，这是它最直接、最快速的访问空间。32位CPU的最大地址空间就是4GB。
硬盘和闪存有自己独立的存储空间和寻址机制，它们的数据并非直接暴露给CPU。
操作系统是关键的桥梁，它负责管理文件系统，将逻辑上的文件地址翻译成存储设备上的物理地址。
DMA控制器是数据的搬运工，它使得CPU不必等待大量外部设备的数据传输，从而大大提高了效率。
硬件控制器是存储设备的“管家”，它理解并执行存储设备内部的读写操作。
所以，当你说硬盘有TB大，闪存有几百G时，CPU其实是通过操作系统和DMA，将硬盘/闪存上的一部分数据“临时搬运”到内存里，然后CPU再访问这部分在内存里的数据。CPU本身并不直接“知道”硬盘上第多少个字节在哪里。它只关心内存地址。这就像你不是直接去图书馆的某个架子找书，而是叫图书馆管理员帮你把书送到你桌子上，你再看。
这就是为什么内存大小对电脑性能影响很大，因为CPU需要把数据先搬到内存里才能快速处理。而硬盘和闪存的“容量”，更多的是指它能“存放”多少数据。
希望这么说能说清楚！有什么不明白的，咱们再接着聊。
你说32位CPU只能寻址4GB内存，这事儿没错。32位就是说CPU一次能处理32个二进制位的信息，也就能产生 2 的 32 次方个地址，算出来就是大概42亿9千万个地址，每个地址对应一个字节，所以就是4GB。这就像给每个内存条上的小格子都编了个号，32位的CPU只能编到这个数量。
那问题就来了，现在动辄几十个G甚至TB的硬盘、几百个G的闪存，这4GB的寻址能力怎么够用呢？难不成我们只能用4GB的硬盘？那可不行。
这里的关键，在于CPU它自己其实是不直接“管”着硬盘和闪存这些设备的“地址”。CPU关心的是它自己能直接访问的物理内存。硬盘和闪存这些东西，本质上是外部存储设备，它们有自己的存储空间，但CPU要访问它们，得通过一个中间层。
这个中间层，其实是操作系统（OS） 和 硬件控制器 的合作。
咱们一步一步来看：
1. 硬件控制器：硬盘和闪存的“门卫”
每种存储设备，比如SATA硬盘、NVMe固态硬盘、UFS闪存等等，都有专门的控制器。这些控制器才是直接跟存储设备打交道的“懂行的人”。
硬盘控制器（SATA/AHCI/NVMe等）： 硬盘控制器负责管理硬盘内部的磁头、盘片旋转（如果是机械硬盘）或者闪存颗粒的读写。它有一套自己的地址系统，用来定位硬盘上具体的扇区（或者更小的块）。
闪存控制器： 闪存控制器则更复杂，它要管理闪存颗粒的读写、磨损均衡、垃圾回收等。它也有自己的内部地址管理机制。
CPU发出的指令，并不会直接变成硬盘上某个物理位置的读写信号。CPU会通过一套接口（比如PCIe、SATA等），把指令发给对应的硬件控制器。
2. 操作系统的角色：内存和设备的“翻译官”和“协调员”
这里才是操作系统大显身手的地方。CPU的4GB寻址空间，是给物理内存（RAM） 预留的。硬盘和闪存虽然可以存储大量数据，但CPU不能像访问内存一样直接、快速地访问它们。
所以，当CPU需要读取硬盘或闪存上的数据时，这个过程是这样的：
CPU发出请求： 比如，CPU需要读取某个程序文件的一部分。这个程序文件可能就存储在硬盘上。CPU会通过操作系统，向硬盘控制器发出一个“读取”请求。这个请求里面会包含：你硬盘上的哪个文件（逻辑地址）？要读取多少数据？把读取到的数据放到内存的哪个地址（目标内存地址）？
操作系统介入： 操作系统知道这个程序文件到底在哪块硬盘的哪个扇区。它会翻译CPU请求中的“逻辑地址”（比如文件路径），找到对应的硬盘上的物理地址（扇区号）。
数据搬运工（DMA）： 重点来了！CPU自己并不去硬盘上一个字节一个字节地搬数据，那样太慢了，会卡死CPU。这个搬运工作，是由DMA（Direct Memory Access，直接内存访问） 控制器来完成的。
操作系统会告诉DMA控制器：数据来源是硬盘的哪个扇区，数据要搬到内存的哪个地址，搬多少数据。
一旦CPU启动了这个DMA传输，它就可以去做别的事情了，不需要傻等数据搬完。DMA控制器会直接和硬盘控制器沟通，把数据从硬盘读出来，直接搬到操作系统指定的内存地址上。
通知CPU： 当DMA传输完成后，硬件（可能是DMA控制器本身，也可能是硬盘控制器通过中断）会通知CPU：“数据搬好了，在你说的内存地址里”。
CPU访问数据： 现在，CPU就可以直接通过它的4GB内存寻址空间，访问之前DMA搬到内存里的那部分数据了。对CPU来说，它操作的就是内存里的数据，至于数据是从硬盘上搬来的，还是从内存里加载的，它只关心在内存中的那个地址。
3. 硬盘/闪存自身的寻址
那么硬盘和闪存内部是怎么寻址的呢？
硬盘（传统机械硬盘）： 硬盘的数据是以扇区（Sector）为单位组织的。每个扇区都有一个唯一的编号。硬盘控制器负责管理这些扇区号，并将其映射到盘片上的具体柱面（Cylinder）、磁头（Head）和扇区（Sector）上。CPU或操作系统发出请求时，会给硬盘控制器一个逻辑扇区号，控制器再将其转换为物理位置。
固态硬盘（SSD）/闪存： 闪存的组织更复杂，数据通常以页（Page）为单位读写，以块（Block）为单位擦除。闪存控制器需要维护一个映射表（FTL Flash Translation Layer），将逻辑块地址（LBA，操作系统看到的地址）映射到闪存颗粒上的物理页地址。这个映射表是为了处理闪存的磨损均衡和垃圾回收（因为闪存不能原地修改，只能擦除后重写）。CPU或操作系统发出读取请求时，操作系统会将其翻译成逻辑块地址，交给闪存控制器，控制器通过FTL找到实际的物理页进行读写。
总结一下，CPU和硬盘/闪存的寻址区别和联系：
CPU寻址的是物理内存，这是它最直接、最快速的访问空间。32位CPU的最大地址空间就是4GB。
硬盘和闪存有自己独立的存储空间和寻址机制，它们的数据并非直接暴露给CPU。
操作系统是关键的桥梁，它负责管理文件系统，将逻辑上的文件地址翻译成存储设备上的物理地址。
DMA控制器是数据的搬运工，它使得CPU不必等待大量外部设备的数据传输，从而大大提高了效率。
硬件控制器是存储设备的“管家”，它理解并执行存储设备内部的读写操作。
所以，当你说硬盘有TB大，闪存有几百G时，CPU其实是通过操作系统和DMA，将硬盘/闪存上的一部分数据“临时搬运”到内存里，然后CPU再访问这部分在内存里的数据。CPU本身并不直接“知道”硬盘上第多少个字节在哪里。它只关心内存地址。这就像你不是直接去图书馆的某个架子找书，而是叫图书馆管理员帮你把书送到你桌子上，你再看。
这就是为什么内存大小对电脑性能影响很大，因为CPU需要把数据先搬到内存里才能快速处理。而硬盘和闪存的“容量”，更多的是指它能“存放”多少数据。
希望这么说能说清楚！有什么不明白的，咱们再接着聊。
网友意见
感觉好像答过类似的问题（32位最大内存利用只能是4G吗，但是8位的单片机他是用2Byte做地址的啊，可以寻址64K的，？ - 知乎）
1. 寻址范围=寻址单元大小*寻址字长 2. 寻址字长与CPU字长无直接关系
存储设备（比如SATA）的寻址字长都能达到48位，寻址单元大小是512字节，算下来就是2^48*512=131072TB，足够访问设备用了。
跟MMU没关系。
---------------------------------
题主看来想知道读的细节：存储设备访问一般都是发SCSI命令，对于读命令来说，有READ6/READ10/READ12/READ16/READ32这些SCSI命令，这些命令有一定格式，其中包含有要访问的设备块号（LBA:Logical Block Address）。
READ10命令里的LBA长度是4字节，最大寻址范围是4G，乘以512字节的扇区长度的话，就可以访问2T以内的磁盘空间：
超过2T的话，就要用更新一点的指令了，比如READ16：
块号范围是2^64，乘以512字节扇区长度的话，其表示范围最大是2^73字节（9,444,732,965,739,290,427,392），就目前来看，已经足够用了。
发送命令的时候，还顺便会告诉设备要读多少东西，以及读的东西放到什么内存位置，有了这些信息以后，磁盘控制器会把正确的数据放到指定的位置上，然后CPU就可以访问了。
SCSI命令参考：https://www.seagate.com/files/staticfiles/support/docs/manual/Interface%20manuals/100293068j.pdf
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