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为什么计算机采用 8 位字节
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。
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” 和 “字”。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：2^6^ 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 $$log_2(20000000000) 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（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”（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”。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”），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。
（题图：MJ/3526a0d5-bee5-4678-8637-e96e9843b53c）
via: https://jvns.ca/blog/2023/03/06/possible-reasons-8-bit-bytes/
作者：Julia Evans 选题：lkxed 译者：ChatGPT 校对：wxy