为什么虚拟地址是 48 位而不是 64 位？ [复制]答案

【问题标题】：why virtual address are 48 bits not 64 bits? [duplicate]为什么虚拟地址是 48 位而不是 64 位？ [复制]
【发布时间】：2021-01-06 13:19:48
【问题描述】：

我正在读一本关于虚拟内存的书：

Intel Core i7 支持 48 位 (256 TB) 虚拟地址空间和 52 位 (4 PB) 物理地址空间

下面是我的问题

Q1-既然我们主要使用64位机器，为什么虚拟地址只有48位？不应该是 64 位虚拟内存吗？
编者注：此部分与Why do x86-64 systems have only a 48 bit virtual address space?完全相同

（编者注：此部分与Why in x86-64 the virtual address are 4 bits shorter than physical (48 bits vs. 52 long)?完全相同）
Q2-为什么物理内存（52位）的地址空间大于虚拟内存（48位），不应该是虚拟内存的地址空间应该大于物理内存的吗？

（编者注：这部分是几个问题的重复，包括Is a process' page table mapped to Kernel address space?和Where is page table located?）
Q3-我的理解是：所有存储在内核内存中的页表对用户是不可见的，我的理解正确吗？

【问题讨论】：

我编辑了您问题的标签，因为它与 Linux 无关，而是与 x86 CPU 架构有关。
请edit你的问题解释你有什么样的Linux软件。
@MartinRosenau：你知道（在 2020 年）任何一台内存超过 4 TB 且不运行 Linux 或至少不运行 Linux 的计算机吗？FreeBSD？如果你这样做，请通过电子邮件与我联系basile@starynkevitch.net
英特尔的 CPU 都不支持 52 个地址位。实际上，正如您所建议的，它们都支持比虚拟地址位更少的物理地址位。您可以使用 EAX = 80000008H 的 CPUID 找出物理地址位数。
当 Intel 处理器支持 52 个物理地址位时，它们肯定也会支持具有 57 位虚拟地址的5-level paging。

标签： x86-64 cpu-architecture virtual-memory page-tables

【解决方案1】：

虚拟地址现在主要用于进程隔离。通过虚拟内存管理，我们可以提供硬盘存储作为交换内存，但速度非常慢而且不是重点。

https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_address_space

如果我们生活在一个硬盘比 RAM 快的世界中，我们可能拥有比物理地址位更大的虚拟地址位。

但是如果我们不能用实际的 RAM 支持 64 位地址空间，那么更大的虚拟地址位是没有意义的。

我不太清楚，但保存的 4 位 (52 - 48 = 4) 可能用于地址转换或 TLB 访问。所以更大的虚拟地址位实际上是不可能的。

【讨论】：

【解决方案2】：

这是经济学！

构建一台足够大的机器以容纳足够的 RAM 以支持 64 位虚拟寻址的成本令人望而却步。（很可能，甚至对 NSA 来说也是如此！）因此我们可以得出结论，对真正支持这一点的芯片组的需求是微乎其微的。
物理地址空间的每一位对应于 CPU 芯片上的一个引脚，以及支持它的硅片，以及 PC 板上的一根导线……以及每个内存 DIMM 上的一个引脚。这些都直接或间接地增加了制造成本。
要求客户为 99.999+% 的客户不需要且不可能使用的功能支付额外费用是没有商业意义的。您这样做了，您的竞争对手将能够在价格/性能指标上击败您。

Q1-既然我们主要使用64位机器，为什么虚拟地址只有48位？不应该是64位的虚拟内存吗？

由于您买不起足够的 RAM 来有效使用 64 位虚拟空间，所以这没有实际意义。

Q2-为什么物理内存（52位）的地址空间大于虚拟内存（48位），难道虚拟内存的地址空间应该大于物理内存？

不确定这个。你需要和设计师谈谈。但出于与上述相同的原因，它没有实际意义。

Q3-我的理解是：所有存储在内核内存中的页表对用户是不可见的，我的理解正确吗？

是的，这是正确的（在设计良好的多用户操作系统中），尽管我不明白这与问题的其余部分有何关系。

【讨论】：

关于Q1) RAM的大小与物理地址空间有关，与虚拟地址空间无关。 1985 年 i80386 已经拥有 48 位（45 位可用）虚拟地址空间，尽管它只能控制 32 位物理地址。
确实如此。但这不是我要说的重点。如果您尝试使用的虚拟地址空间比 RAM 所能容纳的多得多，那么您最终会崩溃。到那时你也可以使用传统的数据库。好的，有一些小众应用程序通过在巨大的虚拟地址空间中分散数据来简化，但要小心颠簸！
位物理地址空间也会消耗缓存标签和 TLB 中的空间。因此，每个内核和每个高速缓存都存在成本，这与内核数量有关，而不仅仅是每个封装引脚。这是功率成本和性能成本。回复：其他问题，请参阅问题的链接副本； OP 的所有 3 个问题都有完全相同的重复项，因此这表明没有研究工作。 Why in x86-64 the virtual address are 4 bits shorter than physical (48 bits vs. 52 long)? 有一个与页表格式/级别相关的有趣答案。
每个内存 DIMM 上都有一个引脚 - 任何单个 DIMM 只需要足够的地址线来寻址一个 DIMM，再加上一个可以为每个 DIMM 单独接线的芯片选择引脚在同一个频道。具有多个内存通道（在每个插槽上...）的系统可以拥有更多物理 RAM，而无需强制每个 DIMM 拥有更多引脚。例如每个通道 2 个 DIMM x 每个插槽 6 个通道 x 每个系统 2 或 4 个插槽，在具有 24 个 64GiB DIMM 的双插槽 Cascade Lake Xeon 系统上可以使用 1.5TiB 内存：thomas-krenn.com/en/wiki/…
DDR4 支持的最大容量意味着 DDR4 标准必须指定在板上蚀刻许多物理引脚，但较小的 DIMM 只需连接实际使用的那些。较低容量的 DIMM 可以使较高的地址线不使用。例如一个 2GB DIMM 可以使用 A0-A13 作为行地址，外加 4 个 bank-group pin systemverilog.io/ddr4-basics。（请记住，在 DDR SDRAM akkadia.org/drepper/cpumemory.pdf 中，行和列是分开发送的，但对于固定的 DRAM“页面”大小，显然列地址始终是 10 位，而不是总地址宽度的一半）。