5.2 数据的宽度与存储

本节讨论数据在计算机中如何表示（宽度）以及如何存放在主存中（对齐和字节序），这是理解底层数据操作的关键。

核心概念

1. 数据的宽度

• 字 (Word)：被处理信息的单位。

• 字长 (Word Length)：数据运算的宽度，反映了计算机处理信息的能力。

• 两者长度可以相同也可以不同。例如，在Intel 80x86中，一个"字"定义为16位，而32位数据被称为"双字"。

2. 数据的排列顺序 (字节序 Endianness)

当一个多字节数据（如一个32位整数）存放在连续的字节地址中时，其各个字节的排列顺序存在两种方案：

• 大端方案 (Big-Endian)：

  • 规则：数据的高位字节 (MSB) 存放在低地址单元，低位字节 (LSB) 存放在高地址单元。

  • 特点：符合人类的阅读习惯。

  • 代表架构：IBM 370, PowerPC, Motorola 68k。

• 小端方案 (Little-Endian)：

  • 规则：数据的高位字节 (MSB) 存放在高地址单元，低位字节 (LSB) 存放在低地址单元。

  • 特点：便于计算机进行数值运算。

  • 代表架构：Intel x86系列。

示例：将32位整数 0x12345678 存放到从地址 0x4000 开始的内存中：

地址	大端方案	小端方案
0x4000	12 (MSB)	78 (LSB)
0x4001	34	56
0x4002	56	34
0x4003	78 (LSB)	12 (MSB)

3. 数据在主存中的存放 (边界对齐 Alignment)

为了提高存取效率，多字节的数据在存放时通常要求地址对齐。

• 不对齐存放：数据紧密排列，不浪费空间。但访问一个跨越存储字边界的数据可能需要两次访存，导致性能下降且控制复杂。

• 边界对齐存放：

  • 规则：规定不同长度的数据必须存放在其地址是其长度整数倍的位置。

    • 双字 (8字节)：起始地址的最末3位二进制为 000。（例如 xx00H、xx08H）

    • 单字 (4字节)：起始地址的最末2位二进制为 00。（例如 xx00H、xx04H）

    • 半字 (2字节)：起始地址的最末1位二进制为 0 (偶数地址)。（例如 xx00H、xx02H）

  • 优点：保证任何数据都可以在一个存取周期内完成读写，控制简单，速度快。

  • 缺点：可能会浪费部分存储空间。

易考点与难点：

• 大小端判断：这是非常经典的考点（参考习题5-3），要求能准确画出数据在两种字节序下的内存布局。
• 边界对齐：这是一个难点（参考习题5-4），核心是理解"空间换时间"的思想。考试中可能要求根据对齐规则，安排一组不同长度的数据在内存中的存放位置，并计算空间利用率。