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世界动态:为什么计算机采用八位字节

2023-05-31 12:51:34来源：Linux中国

我正在制作一份有关计算机以二进制表示事物的小册子，有人问我一个问题 - 为什么 x86 架构使用 8 位字节？为什么不能是其他大小呢？

对于类似这样的问题，我认为有两种可能性：

这是历史原因造成的，其他尺寸（如 4、6 或 16 位）同样有效。8 位是客观上的最佳选择，即使历史发展不同，我们仍然会使用 8 位字节。一些混合 1 和 2 的因素。

我对计算机历史并不是非常着迷（与阅读计算机文献相比，我更喜欢使用计算机），但我总是很好奇计算机事物今天的方式是否存在本质原因，或者它们大多是历史偶然的结果。因此，我们将谈论一些计算机历史。

【资料图】

作为历史偶然性的一个例子：DNS 有一个class字段，它有 5 种可能的值（internet、chaos、hesiod、none和any）。对我来说，这是一个明显的历史意外的例子 - 如果我们今天重新设计 DNS 而不必担心向后兼容性，我无法想象我们会以相同的方式定义类字段。我不确定我们是否会使用class字段！

这篇文章没有明确的答案，但我在Mastodon上提问，并找到了一些潜在的 8 位字节原因。我认为答案是这些原因的某种组合。

字节和字有什么区别？

首先，本文中经常提到 “字节byte” 和 “字word”。它们有什么区别？我的理解是：

字节的大小是你可以寻址的最小单元。例如，在我的计算机上，程序中的0x20aa87c68可能是一个字节的地址，然后0x20aa87c69是下一个字节的地址。字的大小是字节大小的某个倍数。我对此困惑了多年，维基百科的定义非常模糊（“字是特定处理器设计使用的自然数据单元”）。我最初认为字大小与寄存器大小相同（在 x86-64 上为 64 位）。但是根据英特尔架构手册的第 4.1 节（“基本数据类型”），在 x86 上，虽然寄存器是 64 位的，但一个字是 16 位的。因此我困惑了 —— 在 x86 上，一个字是 16 位还是 64 位？它可以根据上下文而有不同的含义吗？这是怎么回事？

现在让我们来讨论一些使用 8 位字节的可能原因！

原因 1：将英文字母适配到 1 字节中

维基百科文章表示 IBM System/360 于 1964 年引入了 8 位字节。

在管理该项目的 Fred Brooks 的一段视频采访中，他讲述了原因。以下是我转录的一些内容：

…… 6 位字节在科学计算中确实更好，而 8 位字节则更适合商业计算，每个字节都可以针对另一个字节进行调整，以使两种字节互相使用。
因此，这变成了一个高管决策，我决定根据 Jerry 的建议采用 8 位字节。
……
我在我的 IBM 职业生涯中做出的最重要的技术决策是为 360 选择 8 位字节。
我相信字符处理将变得重要，而不是十进制数字。

使用 8 位字节处理文本很有道理：2⁶为 64，因此 6 位不足以表示小写字母、大写字母和符号。

为了使用 8 位字节，System/360 还引入了EBCDIC 编码，这是一种 8 位字符编码。

接下来在 8 位字节历史上重要的机器似乎是英特尔 8008，它设计用于计算机终端（Datapoint 2200）。终端需要能够表示字母以及终端控制代码，因此使用 8 位字节对其来说很有意义。计算机历史博物馆上的 Datapoint 2200 手册在第 7 页上说 Datapoint 2200 支持 ASCII（7 位）和 EBCDIC（8 位）。

为什么 6 位字节在科学计算中更好？

我对这条 “6 位字节在科学计算中更好” 的评论很好奇。以下是Gene Amdahl 的一段采访摘录：

我原本希望采用 24 和 48 而非 32 和 64，因为这将为我提供一个更合理的浮点系统。因为在浮点运算中，使用 32 位字大小时，你必须将指数保持在 8 位中用于指数符号，并且要使其在数字范围上合理，你必须每次调整 4 个位而不是单个位。因此，这将导致你比使用二进制移位更快地失去一些信息。

我完全不理解这条评论 - 如果你使用 32 位字大小，为什么指数必须是 8 位？如果你想要，为什么不能使用 9 位或 10 位？但这是我在快速搜索中找到的全部内容。

为什么大型机使用 36 位？

与 6 位字节相关的问题是：许多大型机使用 36 位字大小。为什么？在维基百科的36 位计算文章中有一个很好的解释：

在计算机问世之前，即需要高精度科学和工程运算的领域，使用的是十位数码电动机械计算器……这些计算器每位数码均有一个专用按键，操作人员在输入数字时需要用到所有手指，因此，虽然有些专业计算器有更多位数码，但这种情况是个实际的限制。
因此，早期针对相同市场的二进制计算机通常使用 36 位字长度。这足以表示正负整数最高精度到十位数字（最小应为 35 位）。

因此，这种 36 位大小似乎是基于

的，它等于 34.2。嗯。

我猜这个原因是在 50 年代，计算机非常昂贵。因此，如果您想要你的计算机支持十位十进制数字，你将设计它恰好具有足够的位来执行此操作，而不会更多。

现在计算机更快更便宜，因此，如果您想要出于某种原因表示十位十进制数字，你只需使用 64 位即可 - 浪费一点空间通常并不会有太大问题。

还有人提到，一些具有 36 位字大小的计算机可以让你选择字节大小 - 根据上下文，你可以使用 5 或 6 或 7 或 8 位字节。

原因 2：与二进制编码的十进制一起工作

20 世纪 60 年代，有一种流行的整数编码叫做二进制编码的十进制binary-coded decimal（缩写为BCD），它将每个十进制数字编码为 4 位。

例如，如果你想要编码数字1234，在 BCD 中，它会是这样的：

0001 0010 0011 0100

因此，如果你想要能够轻松地与二进制编码的十进制一起工作，你的字节大小应该是 4 位的倍数，比如 8 位！

为什么 BCD 很流行？

这个整数表示方法对我来说真的很奇怪 —— 为什么不用更有效率的二进制来存储整数呢？在早期的计算机中，效率非常重要！

我最好的猜测是，早期的计算机没有像我们现在这样的显示器，所以一个字节的内容被直接映射到开关灯上。

这是来自维基百科一个带有一些亮灯的 IBM 650 显示器的图片（CC BY-SA 3.0许可）：

因此，如果你想让人们能够相对容易地从二进制表示中读取十进制数，这样做就更有意义了。我认为，今天 BCD 已经过时了，因为我们拥有显示器，并且我们的计算机可以将用二进制表示的数字转换为十进制，并显示它们。

此外，我想知道，“四位nibble”（意为 “4 位”）这个词是不是来自 BCD 的。在 BCD 的上下文中，你经常会引用半个字节（因为每个十进制数字是 4 位）。所以有一个 “4 位” 的词语是有意义的，人们称 4 个位为 “四位nibble”。今天，“四位” 对我来说感觉像是一个古老的词汇，除了作为一个趣闻我肯定从未使用过它（它是一个很有趣的词！）。维基百科关于 “四位” 的文章支持了这个理论：

“四位” 用来描述存储在 IBM 大型计算机中打包的十进制格式（BCD）中数字的位数。

还有一个人提到 BCD 的另一个原因是金融计算。今天，如果你想存储美元金额，你通常只需使用整数的分数，然后在需要美元部分时除以 100。这没什么大不了的，除法很快。但显然，在 70 年代，将一个用二进制表示的整数除以一个 100 是非常慢的，所以重新设计如何表示整数，以避免除以 100 是值得的。

好了，关于 BCD 就说这么多。

原因 3：8 是 2 的幂？

许多人说，CPU 的字节大小是 2 的幂次方很重要。我无法确定这是真的还是假的，而且我对 “计算机使用二进制，所以 2 的幂次方很好” 这种解释感到不满意。这似乎非常合理，但我想深入探讨一下。而且从历史上看，肯定有很多使用字节大小不是 2 的幂次方的机器，例如（来自这个来自 Stack Exchange 上复古计算版块的帖子）：

Cyber 180 大型机使用 6 位字节Univac 1100/2200 系列使用 36 位字长PDP-8 是一台 12 位计算机

一些我听到的关于 2 的幂次方很好的原因我还没有理解：

一个单词中的每个位都需要一个总线，而你希望总线数量是 2 的幂次方（为什么？）很多电路逻辑容易针对分而治之的技术（我需要一个例子来理解这个）

对我更有意义的原因是：

它使设计“时钟分频器”更容易，这些分频器可以测量“在这条线路上发送了 8 位”，分别基于减半进行操作 - 你可以将 3 个减半时钟分频器串联起来。Graham Sutherland告诉我这个，他制作了这个非常酷的分频器模拟器，展示了这些分频器的工作原理。该网站（Falstad）还有很多其他示例电路，似乎是制作电路模拟器的一个非常酷的方式。如果你有一个指令可以将字节中的特定位清零，则如果你的字节大小为 8（2 的 3 次方），你可以只使用 3 位指令来指示哪一位。x86 似乎没有这样做，但Z80 的位测试指令是这样做的。有人提到一些处理器使用进位前瞻加法器，它们按 4 位分组。经过一些快速的谷歌搜索，似乎有各种各样的加法器电路。位图：你计算机的内存被组织成页（通常大小为 2 的 n 次方）。它需要跟踪每一页是否空闲。操作系统使用位图来完成这项工作，其中每个位对应一页，并且根据页面是空闲还是占用，值为 0 或 1。如果你有一个 9 位的字节，你需要除以 9 来在位图中找到你要查找的页面。除以 9 的速度比除以 8 慢，因为除以 2 的幂次方总是最快的。

我可能很糟糕地扭曲了其中一些解释：在这里，我非常超出了自己的知识领域。我们继续前进吧。

原因 4：小字节大小很好

你可能会想：好吧，如果 8 位字节比 4 位字节更好，为什么不继续增加字节大小呢？我们可以有 16 位字节啊！

有几个保持字节大小较小的理由：

它是一种空间浪费 —— 字节是你可以寻址的最小单位，如果你的计算机存储了大量的 ASCII 文本（只需要 7 位），那么每个字符分配 12 或 16 个位相当浪费，而你可以使用 8 个位代替。随着字节变得越来越大，你的 CPU 需要变得更复杂。例如，你需要每个位线路一条总线线路。因此，我想简单总是更好。

我对 CPU 架构的理解非常薄弱，所以就说到这里吧。对我来说，“这是一种空间浪费” 的理由似乎相当有说服力。

原因 5：兼容性

英特尔 8008（1972 年）是 8080（1974 年）的前身，8080 是第一款 x86 处理器 8086（1976 年）的前身。似乎 8080 和 8086 很受欢迎，这就是我们现代 x86 计算机的来源。

我认为这里有一个 “如果它好好的就不要动它” 的问题 - 我假设 8 位字节功能良好，因此英特尔看不到需要更改设计的必要性。如果你保持相同的 8 位字节，那么你可以重复使用更多指令集。

此外，80 年代左右我们开始出现像 TCP 这样的网络协议，它们使用 8 位字节（通常称为“八位组octet”），如果你要实现网络协议，你可能希望使用 8 位字节。

就这些！

在我看来，8 位字节的主要原因是：

很多早期的电脑公司都是美国的，美国使用最广泛的语言是英语这些人希望计算机擅长文本处理较小的字节大小通常更好7 位是你可以用来容纳所有英文字母和标点符号的最小尺寸8 比 7 更好（因为它是 2 的幂次方）一旦有得到成功应用的受欢迎的 8 位计算机，你希望保持相同的设计以实现兼容性。

有人指出这本 1962 年的书第 65 页谈到了 IBM 选择 8 位字节的原因，基本上说了相同的内容：

其完整的 256 个字符的容量被认为足以满足绝大多数应用程序的需要。在该容量范围内，单个字符由单个字节表示，因此任何特定记录的长度并不因该记录中字符而异。8 位字节在存储空间上是相当经济的。对于纯数字工作，一个十进制数字只需要 4 个比特表示，两个这样的 4 位字节可以打包成一个 8 位字节。尽管这种数字数据包装不是必需的，但为了提高速度和存储效率，它是一种常见做法。严格来说，4 位字节属于不同的代码，但与 4 位及 8 位方案相比，它们的简单性导致了更简单的机器设计和更清晰的寻址逻辑。4 位和 8 位的字节大小，作为 2 的幂次方，允许计算机设计师利用二进制寻址和位级索引的强大功能（见第 4 章和第 5 章）。

总的来说，如果你在英语国家设计二进制计算机，选择 8 位字节似乎是一个非常自然的选择。

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