La guía paso a paso o código que verás en este post es la solución más sencilla y efectiva que hallamos a tus dudas o dilema.
Solución:
Respuesta corta: La cantidad de direcciones disponibles es igual a la menor de ellas:
- Tamaño de la memoria en bytes
- Mayor número entero sin signo que se puede guardar en la palabra de máquina de la CPU
Respuesta larga y explicación de lo anterior:
La memoria consta de bytes (B). Cada byte consta de 8 bits (b).
1 B = 8 b
1 GB de RAM es en realidad 1 GiB (gibibyte, no gigabyte). La diferencia es:
1 GB = 10^9 B = 1 000 000 000 B
1 GiB = 2^30 B = 1 073 741 824 B
Cada byte de memoria tiene su propia dirección, sin importar qué tan grande sea la palabra de máquina de la CPU. P.ej. La CPU Intel 8086 era de 16 bits y se dirigía a la memoria por bytes, al igual que las CPU modernas de 32 y 64 bits. Esa es la causa del primer límite: no puede tener más direcciones que bytes de memoria.
La dirección de memoria es solo una cantidad de bytes que la CPU tiene que omitir desde el principio de la memoria para llegar a la que está buscando.
- Para acceder al primer byte, debe omitir 0 bytes, por lo que la dirección del primer byte es 0.
- Para acceder al segundo byte debe saltarse 1 byte, por lo que su dirección es 1.
- (Etcétera…)
- Para acceder al último byte, la CPU omite 1073741823 bytes, por lo que su dirección es 1073741823.
Ahora tienes que saber qué significa realmente 32 bits. Como mencioné antes, es del tamaño de una palabra de máquina.
La palabra máquina es la cantidad de memoria que usa la CPU para almacenar números (en RAM, caché o registros internos). La CPU de 32 bits utiliza 32 bits (4 bytes) para contener números. Las direcciones de memoria también son números, por lo que en una CPU de 32 bits, la dirección de memoria consta de 32 bits.
Ahora piense en esto: si tiene un bit, puede guardar dos valores en él: 0 o 1. Agregue un bit más y tendrá cuatro valores: 0, 1, 2, 3. En tres bits, puede guardar ocho valores : 0, 1, 2 … 6, 7. Este es en realidad un sistema binario y funciona así:
Decimal Binary
0 0000
1 0001
2 0010
3 0011
4 0100
5 0101
6 0110
7 0111
8 1000
9 1001
10 1010
11 1011
12 1100
13 1101
14 1110
15 1111
Funciona exactamente como la suma habitual, pero el dígito máximo es 1, no 9. El decimal 0 es 0000, luego agregas 1 y obtienes 0001, agrega uno una vez más y tienes 0010. Lo que sucedió aquí es como tener decimal 09 y sumando uno: cambia de 9 a 0 e incrementa el siguiente dígito.
En el ejemplo anterior, puede ver que siempre hay un valor máximo que puede mantener en un número con un número constante de bits, porque cuando todos los bits son 1 e intenta aumentar el valor en 1, todos los bits se convertirán en 0, rompiendo así el número. Se llama desbordamiento de enteros y causa muchos problemas desagradables, tanto para los usuarios como para los desarrolladores.
11111111 = 255
+ 1
-----------
100000000 = 0 (9 bits here, so 1 is trimmed)
- Para 1 bit, el valor más grande es 1,
- 2 bits – 3,
- 3 bits – 7,
- 4 bits – 15
El mayor número posible es siempre 2 ^ N-1, donde N es el número de bits. Como dije antes, una dirección de memoria es un número y también tiene un valor máximo. Es por eso que el tamaño de la palabra de la máquina también es un límite para la cantidad de direcciones de memoria disponibles; a veces, su CPU simplemente no puede procesar números lo suficientemente grandes como para ocupar más memoria.
Entonces, en 32 bits puede mantener números de 0 a 2 ^ 32-1, y eso es 4 294 967 295. Es más que la mejor dirección en 1 GB de RAM, por lo que en su caso específico, la cantidad de RAM será el factor limitante.
El límite de RAM para CPU de 32 bits es teóricamente de 4 GB (2 ^ 32) y para CPU de 64 bits es de 16 EB (exabytes, 1 EB = 2 ^ 30 GB). En otras palabras, la CPU de 64 bits podría abordar todo Internet … 200 veces;) (estimado por WolframAlpha).
Sin embargo, en los sistemas operativos de la vida real, las CPU de 32 bits pueden abordar aproximadamente 3 GiB de RAM. Eso se debe a la arquitectura interna del sistema operativo: algunas direcciones están reservadas para otros fines. Puede leer más sobre esta llamada barrera de 3 GB en Wikipedia. Puede levantar este límite con la extensión de dirección física.
Hablando de direcciones de memoria, hay algunas cosas que debo mencionar: memoria virtual, segmentación y paginación.
Memoria virtual
Como señaló @Daniel R Hicks en otra respuesta, los sistemas operativos usan memoria virtual. Lo que significa es que las aplicaciones en realidad no operan en direcciones de memoria reales, sino en las proporcionadas por el sistema operativo.
Esta técnica permite que el sistema operativo mueva algunos datos de la RAM a un llamado Pagefile (Windows) o Swap (* NIX). El disco duro es unas magnitudes más lento que la RAM, pero no es un problema grave para los datos a los que se accede con poca frecuencia y permite que el sistema operativo proporcione a las aplicaciones más RAM de la que realmente tiene instalada.
Paginación
De lo que estábamos hablando hasta ahora se llama esquema de direccionamiento plano.
La paginación es un esquema de direccionamiento alternativo que permite direccionar más memoria de lo que normalmente podría hacerlo con una palabra de máquina en un modelo plano.
Imagina un libro lleno de palabras de 4 letras. Digamos que hay 1024 números en cada página. Para abordar un número, debe saber dos cosas:
- El número de página en la que se imprime esa palabra.
- ¿Qué palabra de esa página es la que estás buscando?
Así es exactamente como manejan la memoria las CPU x86 modernas. Está dividido en 4 páginas KiB (1024 palabras de máquina cada una) y esas páginas tienen números. (en realidad, las páginas también pueden tener un tamaño de 4 MiB o 2 MiB con PAE). Cuando desee direccionar la celda de memoria, necesita el número de página y la dirección en esa página. Tenga en cuenta que cada celda de memoria está referenciada por exactamente un par de números, ese no será el caso de la segmentación.
Segmentación
Bueno, este es bastante similar a la paginación. Se usó en Intel 8086, solo por nombrar un ejemplo. Los grupos de direcciones ahora se denominan segmentos de memoria, no páginas. La diferencia es que los segmentos pueden superponerse y se superponen mucho. Por ejemplo, en 8086 la mayoría de las celdas de memoria estaban disponibles en 4096 segmentos diferentes.
Un ejemplo:
Digamos que tenemos 8 bytes de memoria, todos con ceros excepto el cuarto byte que es igual a 255.
Ilustración para el modelo de memoria plana:
_____
| 0 |
| 0 |
| 0 |
| 255 |
| 0 |
| 0 |
| 0 |
| 0 |
-----
Ilustración para memoria paginada con páginas de 4 bytes:
PAGE0
_____
| 0 |
| 0 |
| 0 | PAGE1
| 255 | _____
----- | 0 |
| 0 |
| 0 |
| 0 |
-----
Ilustración para memoria segmentada con segmentos de 4 bytes desplazados en 1:
SEG 0
_____ SEG 1
| 0 | _____ SEG 2
| 0 | | 0 | _____ SEG 3
| 0 | | 0 | | 0 | _____ SEG 4
| 255 | | 255 | | 255 | | 255 | _____ SEG 5
----- | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | _____ SEG 6
----- | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | _____ SEG 7
----- | 0 | | 0 | | 0 | | 0 | _____
----- | 0 | | 0 | | 0 | | 0 |
----- ----- ----- -----
Como puede ver, el cuarto byte se puede direccionar de cuatro formas: (direccionamiento desde 0)
- Segmento 0, desplazamiento 3
- Segmento 1, desplazamiento 2
- Segmento 2, desplazamiento 1
- Segmento 3, desplazamiento 0
Siempre es la misma celda de memoria.
En implementaciones de la vida real, los segmentos se desplazan en más de 1 byte (para 8086 eran 16 bytes).
Lo malo de la segmentación es que es complicado (pero creo que ya lo sabes;) Lo bueno es que puedes usar algunas técnicas inteligentes para crear programas modulares.
Por ejemplo, puede cargar algún módulo en un segmento, luego pretender que el segmento es más pequeño de lo que realmente es (lo suficientemente pequeño para contener el módulo), luego elegir el primer segmento que no se superponga con ese pseudo-más pequeño y cargar el siguiente módulo , etcétera. Básicamente, lo que obtienes de esta manera son páginas de tamaño variable.
Además de lo anterior, tenga en cuenta que virtual se utiliza el direccionamiento, junto con múltiples espacios de direcciones. Entonces, aunque solo tenga 1 GB de RAM, un programa podría usar conceptualmente hasta 4 GB de memoria virtual (aunque la mayoría de los sistemas operativos lo limitarán a menos que esto). Y conceptualmente puede tener un número (casi) infinito de estos espacios de direcciones de 4GB.
El tamaño de la RAM no limita (tanto) el tamaño máximo de un programa o la cantidad de programas que puede ejecutar, sino que limita el rendimiento. Cuando la memoria real se “compromete en exceso” y el sistema comienza a “estropearse” a medida que “intercambia” “páginas” de memoria entre la RAM y el disco, el rendimiento se desploma.
El 1GByte de RAM ocuparía 1024 * 1024 * 1024 bytes, o 1,073,741,824 bytes.
Un procesador de 32 bits siempre tiene 4 * 1024 * 1024 * 1024 bytes, o 4,294,967,296 bytes de espacio de dirección El 1 Gbyte de RAM aparece dentro de este espacio. En los procesadores Intel, algo de RAM debe aparecer en la dirección 0 para los vectores de interrupción, por lo que la RAM física comienza en la dirección 0 y aumenta.
Otras cosas aparecen en ese espacio de direcciones, como BIOS y ROM de opción (en los 384Kbytes superiores dentro del primer 1Mbyte), dispositivos de E / S (como APIC) y la RAM de video. Algunas cosas raras también suceden con el modo de administración del sistema “SMRAM” que aún no entiendo completamente.
Tenga en cuenta que este es un espacio de direcciones físicas, desde el punto de vista del kernel. La MMU puede reorganizar todo esto de cualquier manera en un proceso de espacio de usuario.
Si posees alguna indecisión o forma de medrar nuestro división te inspiramos realizar una acotación y con gusto lo interpretaremos.