为什么在16位机器上使用20位地址空间只能访问1MB而不是2MB？

Question

好的，这个问题听起来很简单，但却让我感到惊讶。在古老的时代，1兆字节是巨大的内存量，英特尔正在尝试找出如何使用16位来访问1兆字节的内存。他们想出了使用段和偏移地址值生成20位地址的方法。

现在，20位可以寻址2^20 = 1,048,576个位置。假设我们每个地址位置访问1个字节，那么我们得到1,048,576/(1024*1024) = 2^20/2^20兆字节 = 1兆字节。好的，明白了。

混淆出现在这里，我们在古老的8086中有16位数据总线，每次可以访问2个字节而不是1个，这相当于20位地址能够访问总共2兆字节的数据，对吗？为什么我们假设每个地址只存储1个字节，而数据总线是2个字节宽度呢？我在这里感到困惑。

- quantum231

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对于开发人员而言，一个地址可以指向任意大小的内存块，是吗？我认为，处理器模型需要一个最小的可加载到寄存器（字节，对吧？）的块来唯一寻址。 - mikalai

也许，在这里你不应该涉及总线。我怀疑你计算了类似“带宽”的东西：拥有2字节宽的总线，你可以传输比1字节宽的总线多两倍的数据。但是总线与寻址无关。你应该能够寻址某个特定的字节。例如，你有地址#0指向单词“AB”，#1指向“CD”。如何告诉CPU“将字节'B'加载到AX”？如果我想寻址一个双字或四字呢？ - mikalai

8086 可以说是一种过渡性的混合处理器，旨在擅长于全新的 16 位代码和可能被移植到它上面的当时流行的 8 位代码。这就是为什么它具有完整的 8 位指令集的原因。此外，英特尔还推出了一个名为 8088 的变体，它具有 8 位总线而不是 16 位，这将允许人们制造使用当时普遍组件的更便宜的机器。IBM 5150（最初的 PC）配备了 8088 而不是 8086。因此，它需要支持 8 位寻址，无论其最佳字长（16 位）如何。 - Euro Micelli

仅回答你的问题：因为8086使用8位寻址，而不是16位。即使使用具有完整16位数据总线的8086（与具有8位总线的8088相比），地址也指向单个字节，而不是16位字。 - Euro Micelli

哇，终于看到了。如果我们使用16位数据总线和16位寻址来仅寻址单个字节，而数据总线可以一次传输2个字节，这确实有点不合理。 - quantum231

Answer 1

当尝试理解这个问题时，考虑总线非常重要。这可能更多是一个电气问题而不是软件问题，但以下是答案:

对于8086，在从ROM读取时，最低有效地址线（A0）未使用，直接将地址线的数量减少到19。

在CPU需要从奇地址读取16位（例如0x3和0x4字节）的情况下，它实际上会执行两次16位读取：一次从0x2，一次从0x4，并丢弃0x2和0x5字节。

对于8位ROM读取，总线上的读取仍然为16位，但不需要的字节会被丢弃。

但是对于RAM，有时只需要写入单个字节，这会变得更加复杂。处理器上有一个名为BHE#（总线高使能）的额外输出信号。 A0和BHE#的组合用于确定写入是8位还是16位，以及其是否为奇或偶地址。

了解这两个信号是回答您的问题的关键。简单地说：

8位偶数访问：A0关闭，BHE#关闭

8位奇数访问：A0打开，BHE#打开

16位访问（必须为偶数）：A0关闭，BHE#打开

我们不能使A0为ON且BHE#为OFF的总线周期，因为对总线的偶字节进行奇访问是没有意义的。

将其与您的原始理解联系起来：在内存设备的情况下，您完全正确。1兆字节的16位内存芯片确实只有19条地址线，对于该芯片，16位是一个字节，并且实际上它们没有物理A0地址输入。

...几乎。可写16位内存设备具有两个额外信号（BHE#和BLE#），它们分别连接到CPU的BHE＃和A0。这样，当8位访问正在进行时，它们知道要忽略总线的一部分，使它们成为混合的8/16位设备。ROM芯片没有这些信号。

对于硬件不了解的人来说，这是一个相当复杂的领域，对于性能考虑和混合8和16位硬件的大型系统而言，它确实变得非常复杂。

这在8086数据手册中详细说明。

- Matthew Millman

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我现在为我的旧答案感到羞愧:D - Alireza

Answer 2

因为字节是内存寻址的“原子”，代码必须能够访问地址空间中的所有单个字节。这实际上是一项软件问题，涉及与当时8位现有软件的兼容性。

这也可能会引起您的兴趣：如何在32位内存和32位处理器中CPU访问单个字节的内存

- Alireza