为什么 16 位机器上的 20 个地址空间可以访问 1 兆字节而不是 2 兆字节？

Question

好吧，这个问题听起来很简单，但我很惊讶。在 1 兆字节是大量内存的古代，英特尔试图弄清楚如何使用 16 位来访问 1 兆字节的内存。他们提出了使用段和偏移地址值来生成 20 位地址的想法。

现在，20 位给出了 2^20 = 1,048,576 个可以寻址的位置。现在假设我们访问每个地址位置 1 个字节，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。

混乱来了，我们在古老的 8086 中有 16 位数据总线，一次可以访问 2 个字节而不是 1 个，这相当于 20 位地址可以访问总共 2 MB 的数据，对吗？当数据总线为 2 字节宽时，为什么我们假设每个地址只存储 1 个字节？我在这里很困惑。

Answer 1

在尝试理解这一点时，考虑总线是非常重要的。这可能更像是一个电气问题而不是软件问题，但答案如下：

对于 8086，从 ROM 读取时，不使用最低有效地址线（A0），将地址线数量减少到 19 条。

在 CPU 需要从奇数地址读取 16 位的情况下，例如 0x3 和 0x4 处的字节，它实际上会进行两次 16 位读取：一次从 0x2 读取，另一次从 0x4 读取，并丢弃字节 0x2 和 0x5。

对于 8 位 ROM 读取，总线上的读取仍然是 16 位，但不需要的字节被丢弃。

但是对于 RAM 有时只需要写入一个字节，这会变得稍微复杂一些。处理器上有一个额外的输出信号，称为 BHE#（总线高电平启用）。A0 和 BHE# 的组合用于确定写入是 8 位还是 16 位宽，以及它是在奇数地址还是偶数地址。

了解这两个信号是回答问题的关键。尽可能简单地说明：

8 位偶数访问：A0 OFF，BHE# OFF

8 位奇数访问：A0 ON，BHE# ON

16 位访问（必须是偶数）：A0 OFF，BHE# ON

并且我们不能有一个 A0 ON 和 BHE# OFF 的总线周期，因为对总线偶数字节的奇数访问是没有意义的。

将此与您最初的理解联系起来：在存储设备的情况下，您是完全正确的。一个 1MB 的 16 位内存芯片确实只有 19 条地址线，对于那个芯片来说，16 位是一个字节，实际上，它们实际上没有 A0 地址输入。

... 几乎。16 位可写存储设备有两个额外的信号（BHE# 和 BLE#），它们分别连接到 CPU 的 BHE# 和 A0。这使它们知道在进行 8 位访问时忽略部分总线，从而使它们成为混合 8/16 位设备。ROM 芯片没有这些信号。

对于未启蒙的硬件，这是我们在这里涉及的一个相当复杂的领域，并且在性能考虑方面以及在具有混合 8 位和 16 位硬件的大型系统中确实变得非常复杂。

这在8086 数据表中都有非常详细的解释

Answer 2

这是因为字节是内存寻址中的“原子”，并且代码必须能够访问地址空间中的所有单独字节。实际上是软件以及与当时 8 位现有软件的兼容性问题。