你是否经常听到下面这些词汇：

32位操作系统、64位操作系统、32位处理器、64位处理器、x86、x64

这些词汇是什么意思？它们之间是什么关系？

本文将详细讲解这些基本概念

XX位处理器

我们所说的32位处理器、64位处理器，这里的32和64通常是指CPU的寻址能力

什么是寻址能力，这还要从内存地址说起

你需要先阅读上一章节从二进制到十六进制

我们知道，为了方便CPU从内存中取出数据，CPU会把内存划分为一段一段的区域，每一段占8bit，即一个字节

通过对每个区域进行编号，来精准的操作某一个内存区

上图中的编号，就是内存地址

当我们要让CPU取出内存地址3的时候，我们要通过连接到CPU的数据总线（CPU的数据总线通常连接在电脑主板上），向CPU发送一个取值指令，同时，告诉CPU内存地址

从图中可以看出，CPU根本不是预先给每个内存地址编号，而是根据你发送的内存地址，通过一个数学运算，就立刻算出应该从整个内存的哪个位置开始取

我之所以这样解释，是因为有些朋友总是纳闷：对内存编号没问题，那编号本身是存在什么地方呢？

答案就是：编号根本不存在任何地方，而是在操作内存的时候，CPU根据你发送的编号，直接计算出来的

就像上图中所示，你发送一个地址3，CPU并不知道3的编号，它甚至没有编号这个概念，它只是简单的经过运算3 * 8 bit = 24 bit，计算出需要读取的数据，在整个内存中的偏移量，从而定位到内存的第24bit，然后读取一个字节（8bit）即可

这就是内存地址在真实的硬件环境中是如何应用的

再说回我们的话题

我们要让CPU操作某个数据，需要告诉CPU内存地址

怎么告诉CPU内存地址呢？根据之前所讲，是由主板通过数据总线，发送一个地址给CPU

要知道，在计算机内部，所有的东西都必须用二进制表示，包括内存地址，比如，内存为3的地址实际上是11

你可以把数据总线想象成一个高速公路，CPU想象成一个临时仓库，你向CPU发送的地址是高速公路上的并行车辆

从上图中可以看出以下细节：

• CPU仓库：CPU实际上对数据拥有短暂、快速的暂存能力，这里把CPU比作仓库，实际上是指CPU的寄存器。寄存器会短暂的记录数据，比如收到一个地址后，寄存器会把地址短暂的记录下来，等待CPU通过这个地址计算出偏移量。
• 数据总线的宽度决定了一次能运送的数据量，上图中的数据总线宽度是5，则表示一次有能力运送5bit的数据
• 数据总线的宽度必须和CPU寄存器的存储能力一致。试想，如果仓库中只能存3bit的数据，而数据总线运输过来的是5bit，则多余的2bit必须要丢弃，这样一来，多出来的数据就无意义了。所以，如果CPU的寄存器能暂存5bit，则数据总线一定也是5bit的宽度。

我们平时所说的32位处理器，指的就是寄存器可以暂存32位的数据，同时，数据总线的宽度也是32位

这也就意味着，我最大可以向CPU发送的地址编号是32个1，即十进制的$2^{32} - 1$，即4294967295

根据存储的换算公式，1GB = 1024MB，1MB = 1024KB，1KB = 1024 byte，1byte = 8bit

可以轻松的换算出：32位的CPU，根据最大的地址编号，可以读到内存的偏移量为：4294967295个字节，也就是大约4GB

这就是为什么很多老的电脑，它使用的是32位的CPU，哪怕你给内存升级到16G，它还是只能识别4G

于是，我们有了这样的说法：一个X位的CPU，它的寻址能力是X位，能识别的内存是$2^{X} - 1$字节

大家可以根据这样的算法，算算看，64位的CPU大概可以识别多少G的内存，答案在本文末尾

另外，64位的CPU不仅可以提升寻址能力，还可以提升一次性读取数据的能力，比如，64位的CPU可以一次性从内存中读取8个字节的数据，然后通过64位的数据总线传输，不需要分8次读取

x86 和 x64

x86和x64是指CPU的指令集

这是啥意思呢

所谓指令，是指向CPU发送的一个特殊的二进制命令，常见的指令有：取出某个内存中的数据（取址）、保存某个数据到某个内存（存值）、运算等等

要知道CPU发展了这么多年，速度不断的提升，同时也不断开发出新的指令

x86是一种古老的指令集合，它出现于1978年，目前这种指令集主要集中在32位的CPU上

x86-64，简称x64，它在x86指令集基础上新增了很多针对64位CPU的指令集

所以，有些软件分为x86版本和x64版本，它们就是为不同指令集的CPU分开发布的版本

这就产生了以下有趣的现象：

• 如果你的CPU是32位的，那么只能安装软件的x86版本，因为x64版本要用到新的指令集，你的CPU是不支持的
• 如果你的CPU是64位的，既可以安装x64版本，也可以安装x86版本，因为x64指令集兼容x86指令集。但是，如果你安装的是x86版本，虽然CPU仍然是64位的，但是你的软件只会使用x86指令集，也就是说，你的软件只会向CPU运送32位的地址和数据，信息高速公路有一半没有用上，无法完全发挥64位CPU的优势。

XX位操作系统

操作系统的出现，让用户不需要直接管理硬件

如果你看到这里，应该知道直接操作硬件是非常麻烦和复杂的

操作系统就是用来直接管理硬件的

因此，既然作为硬件的核心——CPU，拥有32位和64位，为了尽可能的发挥CPU的优势，操作系统也分为32位和64位

和其他软件一样

32位的CPU上，只能安装32位的操作系统，因为64位操作系统会使用新的指令集，而CPU是没有这些指令的

64位的CPU上，可以安装64和32位的操作系统，当然，和软件一样，32位的操作系统无法发挥64位的速度优势

另外，由于软件不会直接管理硬件，而是通过向操作系统对硬件进行管理，因此：

只有64位的操作系统才能安装64位的软件，当然也兼容32位的软件

32位的操作系统只能安装32位的软件

它们的关系就像是下图所示

64位的CPU可以识别多少G的内存 $\frac{2^{64} - 1}{1024*1024*1024}$ ≈ $\frac{2^{64}}{2^{10}*2^{10}*2^{10}}$ = $\frac{2^{64}}{2^{30}}$ = $2^{34}$GB