深入理解计算机组成原理中不同字长的概念

一文读懂计组里的“字长”/“位数”/“宽度”

字长/机器字长/存储字长/指令字长

字长：默认是机器字长¹
机器字长：计算机能直接处理的二进制数据位数
存储字长：每个存储单元能存放的二进制数据位数
指令字长：每条指令包含的二进制数据位数

各种硬件的位数

各种硬件的位数与它要做的工作相关，总结如下：

ALU算术逻辑单元位数

基本ALU具有三个并行数据总线，包括两个输入操作数A、B和一个结果输出Y，且A、B、Y总线宽度相同。
ALU是CPU的核心部分，能直接处理的二进制数据位数（输入的操作数的位数）等于机器字长。

通用寄存器位数

ALU操作数的来源通常是通用寄存器，因此
通用寄存器位数=输入ALU的操作数的位数=机器字长。

IR指令寄存器位数

IR用于保存当前正在执行或解码的指令。在简单的处理器中，每条要执行的指令都被加载到IR中，其位数取决于指令字长。

PC程序计数器位数

用于存放下一条要执行的指令在主存中的地址。位数取决于可寻址内存，例如，PC宽度为32位 能够寻址2^32个存储单元。所以PC的位数n反映了主存的容量。

MAR地址寄存器位数

MAR里保存着需要访问的数据的内存位置。位数同PC，由存储单元的个数决定。

MDR数据寄存器位数

MDR充当处理器和内存单元之间的缓冲区，存放指令或地址（间接寻址）。一个要存储的字必须传送到MDR ，从那里转到特定的内存位置。MDR的位数由存储字长决定。

按字节/字/Xbit编址

按字节/字/Xbit编址分别表示存储空间的最小编址单位是字节/字/Xbit，用白话说，每个存储单元里的二进制代码位数为1字节/1个字长/Xbit，这个长度就是存储单元长度，也即存储字长。

地址总线位数

地址总线位数决定了CPU可以直接访问的RAM的最大数量，因为每根线对应一个地址位。例如：具有32位地址总线的计算机可以直接寻址4GB（2^32B ）的物理内存，而36位的计算机可以寻址64GB(2^36B)。
如果I/O端口和主存地址空间统一编址，也要把I/O端口的数量考虑进去。

数据总线位数

数据总线可以双向传输，其位数和机器字长、存储字长有关：如果等于机器字长，那么传输一次刚好可以处理一次；如果等于存储字长，那么传输一次刚好可以读写一次。

总线宽度

总线宽度又称总线位宽，是该总线可同时传输数据的位数，通常指数据总线的根数。

指令字长和存储字长的关系

指令字长一般是存储字长的整数倍。这是为了硬件设计方便，而不是必然的关系。
实际上指令字长取决于操作码长度、地址码长度和地址码个数。