认识4G地址空间的局限----MMIO内存映射的问题

 一、4GB地址空间的局限

首先我们还必须要先了解两个概念

其一是“物理内存”。大家常说的物理内存就是指安装在主板上的内存条，其实不然，在计算机的系统中，物理内存不仅包括装在主板上的内存条(RAM)，还应该包括主板BIOS芯片的ROM，显卡上的显存(RAM)和BIOS(ROM)，以及各种PCI、PCI-E设备上的RAM和ROM。

其二是“地址空间”。地址空间就是对物理内存编码(地址编码)的范围。

所谓编码就是对每一个物理存储单元(一个字节)分配一个唯一的地址号码，这个过程又叫做“编址”或者“地址映射”。这个过程就好像在日常生活中我们给每家每户分配一个地址门牌号。与编码相对应的是“寻址”过程——分配一个地址号码给一个存储单元的目的是为了便于找到它，完成数据的读写，这就是“寻址”，因此地址空间有时候又被称作“寻址空间”。系统不仅要给主板上的内存条编址，还要给上述的其它物理内存编址；它们都被编在同一个地址空间内，编址后的物理内存就可以被系统资源使用或占用。

从Pentium Pro处理器开始，CPU的地址总线已经升级到36位，寻址能力达到64GB，按理说CPU支持4GB的内存是没有问题的；因此，芯片组(北桥—MCH)地址总线的数量就成了决定物理内存地址空间大小的决定性因素。在Intel 945系列和945以前的芯片组，nForce 550系列和550以前的芯片组都只有32条地址线，为系统提供4GB的地址空间，即最高可以安装4GB的内存条。

虽然可以安装4GB内存条，但这4GB的内存空间不能全部纷配给内存，因为从4GB空间的顶端地址（FFFF_FFFFh）开始向下要有400MB-1GB的地址空间要分配给主板上的其他物理内存。

我们可以看到4GB的地址空间可以分为两大部分，0MB～物理内存顶端的地址分配给主板上安装的物理内存，4GB到物理内存顶端的地址分配给BIOS(ROM)和PCI/PCI-E设备的存储器。由于这些存储器基本上是用于系统的输入和输出，所以Intel又把这段地址空间称之为“MMIO”(Memory-Mapped I/O—I/O存储器映射)。当系统安装3GB以下的内存时，MMIO区域不会与物理内存条的地址空间相重叠，操作系统可以访问几乎全部的物理内存，而操作系统属性里显示的物理内存基本接近实际内存的容量。

而当系统安装上4GB内存时，问题出现了。由于位于4GB下面的部分地址空间要优先分配给MMIO，内存条上对应的这段区间就得不到编址，所以操作系统就不能使用。

严格意义上来说，即使安装2GB内存时操作系统也不可能使用到全部的内存容量，诸如传统DOS的UMA区就有部分被占用的地址空间，但因为被占用的容量相比之下实在太少，所以就被很多读者忽略了。MMIO占用的地址空间在256MB～1GB之间，这么大的“浪费”大家肯定不能“熟视无睹”。

   因为受4GB芯片组地址空间的限制(32条地址线的限制)，Intel 945系列及以前的芯片组、NVIDIA nForce 550及以前的芯片组都没有办法绕过这个限制。具体原因有三方面：其一是芯片组没有剩余空间分配来供操作系统来调配；其二是物理内存的编址必须是连续的，不能被割断；其三是系统开机时必需先从4GB的顶端地址(FFFF_FFFFh)读取BIOS数据, 这是IA32架构和4GB地址空间的局限.

所以建议使用这些芯片组主板的用户不要安装4GB的内存，这样会有部分内存容量不能被操作系统所使用。而解决4GB内存限制的唯一办法就是扩展地址空间。

二、支持大于4GB内存的芯片组和“内存重映射”技术

面对原有芯片组4GB内存的局限，Intel和NVIDIA早就开始未雨绸缪，他们对传统的32位地址总线进行了调整，将其升级到36位，并推出了一系列可以突破4GB内存限制的芯片组，这就是Intel的965系列以及975系列、NVIDIA的nForce 570/590以及680系列





注：AMD的64位Socket AM2 CPU把内存控制器放到CPU中，提供40bit的物理地址总线，地址空间可达到1000GB。具体支持的地址空间和内存量取决于芯片组及主板的总线设计。

   从上面的芯片组参数来看，地址总线从32位提升到36位，地址空间达到64GB，支持安装8GB的物理内存。但由于IA32架构的规则是开机时必须从4GB的FFFF_FFFFh地址读取BIOS信息，尽管芯片组支持的地址空间变大了，且最大支持的物理内存容量也达到了8GB(或以上)，但从本质上来说仍然不能解决MMIO地址占用4GB内存编址的问题。这要怎么办呢？

   36位地址总线最大可以支持64GB的地址空间，这就为移动MMIO地址区提供了条件。现在解决这个问题的办法就是“内存重映射”技术——就是在IA32架构的基础上，把BIOS(ROM)和PCI/PCI-E设备占用的MMIO地址区段重新映射到内存条顶端地址以上 (例如4GB以上)的地址空间，从而把IA32架构规定的这一段操作系统不可使用的、位于4GB下面的MMIO地址空间回收给物理内存使用，保证物理内存编址的连续性。

三、BIOS必须支持“内存重映射”

“内存重映射”技术必须通过BIOS完成。所以BIOS必须具有支持内存重映射的功能模块，以便根据用户安装的内存容量来确定是否需要启用内存重映射功能。同时，在BIOS的设置选单中也要有“Memory Re-Mapping”的设置选项，使用4GB或者4GB以上内存的用户一定要将此项设置设为“Enable”



四、解决4GB内存问题还需要操作系统支持

我们常使用的桌面操作系统是32位的，支持4GB的地址空间。前面我们介绍了解决4GB问题的芯片组是支持64GB地址空间的，在这样的芯片组主板上安装32位的操作系统，就只能使用4GB的地址空间，因此安装4GB内存不能使用仅支持4GB地址空间的32位的操作系统。应该使用支持大于4GB地址空间的32位操作系统或64位的操作系统。



五、小结

1、由于iA32架构要求BIOS(ROM)芯片的地址， PCI、PCI-E存储器地址、APCI中断路由地址等必须占用从4GB开始以下的256M-1GB空间。这段MMIO地址区不能分配给内存条。4GB的内存条有256MB-1GB的容量不能编址而浪费。

2、使用4GB或者以上的内存条，必须使用地址(编址)空间64GB的芯片组主板。

3、内存重映射就是把被MMIO占用的地址移到内存条容量以上的地址空间。

4、BIOS应具有支持“内存重映射”功能，设置项里有 Memory Remap Feature 选项，并设置为Enable。

5、必须安装寻址空间大于4GB的操作系统。比如Windows 2000高级服务器版，以及64位操作系统(表3)。

6、所有地址空间为4GB的芯片组(Intel945和nForce550之前的)，和32位操作系统均不能利用“内存重映射”技术解决4GB内存问题。