16位、32位和64位架构是什么？

Question

16位、32位和64位架构是什么？

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在微处理器和/或操作系统中，16位、32位和64位体系结构是什么意思？

对于微处理器而言，它是否表示通用寄存器的最大大小，或者整数的大小，或者地址线的数量，或者数据总线线数等内容？

当我们说"DOS是一个16位操作系统"、"Windows是一个32位操作系统"等时，这意味着什么？

- user366312

7个回答

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CPU“是”多少位，意味着它的指令字长度是多少位。在32位CPU上，这种指令的字长为32位，这意味着CPU可以处理作为指令或数据的宽度，通常会导致具有该宽度的总线线路。出于类似的原因，寄存器具有CPU字长的大小，但您经常使用较大的寄存器来实现不同的目的。

以PDP-8计算机为例。这是一台12位计算机。每个指令都有12位长。为了处理相同宽度的数据，累加器也是12位。但使12位计算机成为12位机器的是其指令字长度。它在前面板上有十二个开关，可以逐条编程。

这是一个打破8/16/32位专注的好例子。

位数通常也是地址总线的大小。因此，它通常告诉最大可寻址内存。

在Wikipedia上有一个很好的解释。

在计算机架构中，32位整数、内存地址或其他数据单元的宽度最多为32位（4个八位字节）。同时，32位CPU和ALU架构基于该大小的寄存器、地址总线或数据总线。32位也是赋予一代计算机的术语，在这一代计算机中，32位处理器是常态。

现在让我们来谈谈操作系统。

在操作系统中，这与CPU的实际“位数”关系较小，通常反映了如何组装操作码（用于CPU的字长）以及如何寻址寄存器（无法将32位值加载到16位寄存器中）以及如何寻址内存。把它看作已完成的编译程序。它以二进制指令的形式存储，并且必须适合CPU的字长。就任务而言，它必须能够寻址整个内存，否则它无法进行正确的内存管理。

但归根结底，一个程序是32位还是64位（操作系统本质上也是一个程序），取决于它的二进制指令如何存储以及寄存器和内存如何寻址。总的来说，这适用于所有类型的程序，而不仅仅是操作系统。这就是为什么你会有针对32位或64位编译的程序。

- polemon

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指令字长部分是内部的，有时一条指令可能比CPU连接到程序存储器的总线长（在冯·诺依曼设计中，程序存储器和带堆栈的工作存储器只有一个地址空间）；现在，特别是在使用流水线技术时，该指令可能会比您的总线线路长。在内部，该操作码具有一定的宽度。大多数CPU使用微代码来解码该操作码，这种微代码可以处理指令的一定宽度。这就是指令字宽度。 - polemon

我不是在谈论微码指令。CPU指令由微码解码。现在，这个CPU指令有一个（最大）长度。这个长度由CPU的硬件设计和它的微码定义。 - polemon

我一直以为“位”指的是总线宽度。举个反例：第一台Mac使用的是m68000芯片（绝对是32位芯片），但是运行在16位主总线上。执行完整宽度的获取或存储需要两个周期，但程序员看不到这一点（被缓存架构抽象出来），除了持续的内存访问速度之外。 - dmckee --- ex-moderator kitten

@Marting：是的，但要记住，操作码可能比总线宽度更长！很可能需要多个周期才能读取和解码操作码+数据。 - polemon

@polemon 抱歉如果我太慢了，但我仍然不明白...据我所知，Pentium 4是一种32位处理器，但肯定有比4个字节更长的操作码。或者你是指只有内部的最大操作码大小，即在解码后？如果是这样，那么这个最大解码大小对程序员真的很重要吗？ - Martin

@Martin 确实，操作码交给微代码的长度可以比架构号更长。但是该操作码随后会被分成微代码处理的块。如果您愿意，这个块长度就是架构表示的长度。 - polemon

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区别在于通用寄存器接收的指令集位宽不同。16位可以同时操作2个字节，64位可以一次性操作8个字节的指令。通过每个时钟周期执行更密集的指令，可以经常提高处理器的吞吐量。

- htmldrum

感觉需要一个简短的解释，而不是七个冗长、不准确的解释。 - htmldrum

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这些定义更多是营销术语，而不是精确的技术术语。

在模糊的技术术语中，它们更多地与架构可见宽度相关，而不是任何真正的实现寄存器或总线宽度。例如，68008被归类为32位CPU，但硅片上只有16位寄存器和8位数据总线以及20多个地址位。

- hotpaw2

6502被归类为8位处理器，但具有16位地址寄存器、16位地址总线和8、16和24位指令。MIPS架构提供了64位数据和32位地址或同时使用64位，但早期实现只有32位总线。等等。在营销中，通常偏向于选择最大的数字，除非针对极低成本嵌入式市场。 - hotpaw2

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http://en.wikipedia.org/wiki/64-bit#64-bit_data_models 数据模型意味着语言的位数。

“操作系统是x位”的短语通常意味着该操作系统是为x位CPU模式编写的，也就是说，64位Windows在x86-64上使用长模式，其中寄存器为64位，地址空间为64位，并且与32位模式有其他明显的区别，其中通常寄存器宽度为32位，地址空间为32位。在x86上，32位和64位模式之间的主要区别是32位中存在分段以实现历史兼容性。

通常，操作系统是根据CPU位数编写的，x86-64是几十年向后兼容性的一个显著例子 - 您可以拥有从16位实模式程序到32位保护模式程序再到64位长模式程序的所有内容。

此外，还有不同的虚拟化方式，因此您的程序可能会像在32位模式下一样运行，但实际上它是由非x86核心执行的。

- berkus

此外，许多架构只有一个位数，因此在这些架构中谈论位数时，只有语言数据模型才有意义。其他架构，如ARM，本身是32位的，但具有附加模式，所谓的Thumb / Thumb2，通过将某些指令编码为16位而不是32位来增加指令密度。它们仍被认为是32位CPU，它们运行的操作系统通常是32位的。 - berkus

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据我所知，从技术上讲，这是整数通路的宽度。我听说过有32位寻址的16位芯片。然而，在现实中，它是地址宽度。在16位芯片上，sizeof(void*)为16位，在32位芯片上为32位，在64位芯片上为64位。

这会导致问题，因为C和C++允许在void*和整数类型之间进行转换，如果整数类型足够大（与指针大小相同），则是安全的。这导致了各种不安全的问题。

void* p = something;
int i = (int)p;

这段代码在64位系统上将会崩溃（在32位系统上可以运行），因为void*现在比int大了两倍。

在大多数编程语言中，你不需要过多关注你所使用的系统的位宽。

- Puppy

“在64位代码上会出现可怕的崩溃（仅适用于16位），因为void *现在比int大两倍。” 这适用于64位Windows，但不适用于x64-Linux，在那里sizeof（int）== 8。 - kusma

应该忽略那些糟糕的代码在特殊情况下可能会起作用的情况，而不是发布它们。另外，将16位固定为32位。 - Puppy

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当我们在计算机科学中谈论2^n位架构时，基本上是在谈论内存寄存器、地址总线大小或数据总线大小。 2^n位架构背后的基本概念是表示这里的2^n位数据可以用来处理大小为2^n的数据。

- Saurabh

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架构不仅限于2^n。在小型计算机时代，18、24和36位架构被广泛使用。 - dmckee --- ex-moderator kitten

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可以查看英文原文，
原文链接

- Nick Fortescue · Accepted Answer

以下是我的原始答案，如果您想了解评论，请参阅。

新答案

正如您所说，有各种各样的措施。幸运的是，对于许多CPU，许多措施都是相同的，因此不会产生混淆。让我们看一些数据（抱歉，我无法在markdown中找到好的表格方式）。 Table data

正如您所看到的，许多列都是很好的候选项。然而，我认为通用寄存器的大小（绿色）是最常见且易于理解的答案。

当处理器在不同寄存器的大小上差异很大时，通常会进行更详细的描述，例如Motorola 68k被描述为16/32位芯片。

其他人认为指令总线宽度（黄色）也符合表格。然而，在今天的流水线世界中，我认为对于大多数应用程序而言，这比通用寄存器的大小要少关键得多。

原始回答

不同的人可能意味着不同的事情，因为正如你所说有几个措施。例如，谈论内存寻址的人可能与谈论整数算术的人意思不同。然而，我会尝试定义我认为是共同理解的。

我的看法是对于CPU来说，它意味着“用于标准操作的典型寄存器的大小”或“数据总线的大小”（两者通常是等效的）。

我用以下逻辑来证明这一点。Z80具有8位累加器和8位数据总线，同时具有16位内存寻址寄存器（IX、IY、SP、PC）和16位内存地址总线。Z80被称为8位微处理器。这意味着人们通常必须指的是主整数算术大小或数据总线大小，而不是内存寻址大小。

它不是指令的大小，因为Z80（再次）具有1、2和3字节的指令，虽然多字节指令当然是通过多次读取来读取的。在另一个方向上，8086是一个16位微处理器，可以读取8或16位指令。因此，我不同意那些说它是指令大小的答案。

对于操作系统，我会将其定义为“代码编译为在该大小的CPU上运行”，因此32位操作系统具有编译为在32位CPU上运行的代码（根据上述定义）。