爲什麼計算機採用 8 位字節

我正在製作一份有關計算機以二進制表示事物的小冊子，有人問我一個問題 - 爲什麼 x86 架構使用 8 位字節？爲什麼不能是其他大小呢？

對於類似這樣的問題，我認爲有兩種可能性：

◈ 這是歷史原因造成的，其他尺寸（如 4、6 或 16 位）同樣有效。

◈ 8 位是客觀上的最佳選擇，即使歷史發展不同，我們仍然會使用 8 位字節。

◈ 一些混合 1 和 2 的因素。

我對計算機歷史並不是非常着迷（與閱讀計算機文獻相比，我更喜歡使用計算機），但我總是很好奇計算機事物今天的方式是否存在本質原因，或者它們大多是歷史偶然的結果。因此，我們將談論一些計算機歷史。

作爲歷史偶然性的一個例子：DNS 有一個 class 字段，它有 5 種可能的值（internet、chaos、hesiod、none 和 any）。對我來說，這是一個明顯的歷史意外的例子 - 如果我們今天重新設計 DNS 而不必擔心向後兼容性，我無法想象我們會以相同的方式定義類字段。我不確定我們是否會使用 class 字段！

這篇文章沒有明確的答案，但我在 Mastodon 上提問，並找到了一些潛在的 8 位字節原因。我認爲答案是這些原因的某種組合。

字節和字有什麼區別？

首先，本文中經常提到 “字節” 和 “字”。它們有什麼區別？我的理解是：

◈ 字節的大小 是你可以尋址的最小單元。例如，在我的計算機上，程序中的 0x20aa87c68 可能是一個字節的地址，然後 0x20aa87c69 是下一個字節的地址。

◈ 字的大小 是字節大小的某個倍數。我對此困惑了多年，維基百科的定義非常模糊（“字是特定處理器設計使用的自然數據單元”）。我最初認爲字大小與寄存器大小相同（在 x86-64 上爲 64 位）。但是根據 英特爾架構手冊 的第 4.1 節（“基本數據類型”），在 x86 上，雖然寄存器是 64 位的，但一個字是 16 位的。因此我困惑了 —— 在 x86 上，一個字是 16 位還是 64 位？它可以根據上下文而有不同的含義嗎？這是怎麼回事？

現在讓我們來討論一些使用 8 位字節的可能原因！

原因 1：將英文字母適配到 1 字節中

維基百科文章 表示 IBM System/360 於 1964 年引入了 8 位字節。

在管理該項目的 Fred Brooks 的一段 視頻採訪 中，他講述了原因。以下是我轉錄的一些內容：

…… 6 位字節在科學計算中確實更好，而 8 位字節則更適合商業計算，每個字節都可以針對另一個字節進行調整，以使兩種字節互相使用。

因此，這變成了一個高管決策，我決定根據 Jerry 的建議採用 8 位字節。

……

我在我的 IBM 職業生涯中做出的最重要的技術決策是爲 360 選擇 8 位字節。

我相信字符處理將變得重要，而不是十進制數字。

使用 8 位字節處理文本很有道理：26 爲 64，因此 6 位不足以表示小寫字母、大寫字母和符號。

爲了使用 8 位字節，System/360 還引入了 EBCDIC 編碼，這是一種 8 位字符編碼。

接下來在 8 位字節歷史上重要的機器似乎是 英特爾 8008，它設計用於計算機終端（Datapoint 2200）。終端需要能夠表示字母以及終端控制代碼，因此使用 8 位字節對其來說很有意義。計算機歷史博物館上的 Datapoint 2200 手冊 在第 7 頁上說 Datapoint 2200 支持 ASCII（7 位）和 EBCDIC（8 位）。

爲什麼 6 位字節在科學計算中更好？

我對這條 “6 位字節在科學計算中更好” 的評論很好奇。以下是 Gene Amdahl 的一段採訪摘錄：

我原本希望採用 24 和 48 而非 32 和 64，因爲這將爲我提供一個更合理的浮點系統。因爲在浮點運算中，使用 32 位字大小時，你必須將指數保持在 8 位中用於指數符號，並且要使其在數字範圍上合理，你必須每次調整 4 個位而不是單個位。因此，這將導致你比使用二進制移位更快地失去一些信息。

我完全不理解這條評論 - 如果你使用 32 位字大小，爲什麼指數必須是 8 位？如果你想要，爲什麼不能使用 9 位或 10 位？但這是我在快速搜索中找到的全部內容。

爲什麼大型機使用 36 位？

與 6 位字節相關的問題是：許多大型機使用 36 位字大小。爲什麼？在維基百科的 36 位計算 文章中有一個很好的解釋：

在計算機問世之前，即需要高精度科學和工程運算的領域，使用的是十位數碼電動機械計算器…… 這些計算器每位數碼均有一個專用按鍵，操作人員在輸入數字時需要用到所有手指，因此，雖然有些專業計算器有更多位數碼，但這種情況是個實際的限制。

因此，早期針對相同市場的二進制計算機通常使用 36 位字長度。這足以表示正負整數最高精度到十位數字（最小應爲 35 位）。

因此，這種 36 位大小似乎是基於

的，它等於 34.2。嗯。

我猜這個原因是在 50 年代，計算機非常昂貴。因此，如果您想要你的計算機支持十位十進制數字，你將設計它恰好具有足夠的位來執行此操作，而不會更多。

現在計算機更快更便宜，因此，如果您想要出於某種原因表示十位十進制數字，你只需使用 64 位即可 - 浪費一點空間通常並不會有太大問題。

還有人提到，一些具有 36 位字大小的計算機可以讓你選擇字節大小 - 根據上下文，你可以使用 5 或 6 或 7 或 8 位字節。

原因 2：與二進制編碼的十進制一起工作

20 世紀 60 年代，有一種流行的整數編碼叫做 二進制編碼的十進制（縮寫爲 BCD），它將每個十進制數字編碼爲 4 位。

例如，如果你想要編碼數字 1234，在 BCD 中，它會是這樣的：

0001 0010 0011 0100

因此，如果你想要能夠輕鬆地與二進制編碼的十進制一起工作，你的字節大小應該是 4 位的倍數，比如 8 位！

爲什麼 BCD 很流行？

這個整數表示方法對我來說真的很奇怪 —— 爲什麼不用更有效率的二進制來存儲整數呢？在早期的計算機中，效率非常重要！

我最好的猜測是，早期的計算機沒有像我們現在這樣的顯示器，所以一個字節的內容被直接映射到開關燈上。

這是來自維基百科一個帶有一些亮燈的 IBM 650 顯示器的圖片：

Z9BMyC

因此，如果你想讓人們能夠相對容易地從二進制表示中讀取十進制數，這樣做就更有意義了。我認爲，今天 BCD 已經過時了，因爲我們擁有顯示器，並且我們的計算機可以將用二進制表示的數字轉換爲十進制，並顯示它們。

此外，我想知道，“四位”（意爲 “4 位”）這個詞是不是來自 BCD 的。在 BCD 的上下文中，你經常會引用半個字節（因爲每個十進制數字是 4 位）。所以有一個 “4 位” 的詞語是有意義的，人們稱 4 個位爲 “四位”。今天，“四位” 對我來說感覺像是一個古老的詞彙，除了作爲一個趣聞我肯定從未使用過它（它是一個很有趣的詞！）。維基百科關於 “四位” 的文章支持了這個理論：

“四位” 用來描述存儲在 IBM 大型計算機中打包的十進制格式（BCD）中數字的位數。

還有一個人提到 BCD 的另一個原因是 金融計算。今天，如果你想存儲美元金額，你通常只需使用整數的分數，然後在需要美元部分時除以 100。這沒什麼大不了的，除法很快。但顯然，在 70 年代，將一個用二進制表示的整數除以一個 100 是非常慢的，所以重新設計如何表示整數，以避免除以 100 是值得的。

好了，關於 BCD 就說這麼多。

原因 3：8 是 2 的冪？

許多人說，CPU 的字節大小是 2 的冪次方很重要。我無法確定這是真的還是假的，而且我對 “計算機使用二進制，所以 2 的冪次方很好” 這種解釋感到不滿意。這似乎非常合理，但我想深入探討一下。而且從歷史上看，肯定有很多使用字節大小不是 2 的冪次方的機器，例如（來自這個來自 Stack Exchange 上覆古計算版塊的 帖子）：

◈ Cyber 180 大型機使用 6 位字節

◈ Univac 1100/2200 系列使用 36 位字長

◈ PDP-8 是一臺 12 位計算機

一些我聽到的關於 2 的冪次方很好的原因我還沒有理解：

◈ 一個單詞中的每個位都需要一個總線，而你希望總線數量是 2 的冪次方（爲什麼？）

◈ 很多電路邏輯容易針對分而治之的技術（我需要一個例子來理解這個）

對我更有意義的原因是：

◈ 它使設計 “時鐘分頻器” 更容易，這些分頻器可以測量“在這條線路上發送了 8 位”，分別基於減半進行操作 - 你可以將 3 個減半時鐘分頻器串聯起來。Graham Sutherland 告訴我這個，他製作了這個非常酷的 分頻器模擬器，展示了這些分頻器的工作原理。該網站（Falstad）還有很多其他示例電路，似乎是製作電路模擬器的一個非常酷的方式。

◈ 如果你有一個指令可以將字節中的特定位清零，則如果你的字節大小爲 8（2 的 3 次方），你可以只使用 3 位指令來指示哪一位。x86 似乎沒有這樣做，但 Z80 的位測試指令 是這樣做的。

◈ 有人提到一些處理器使用 進位前瞻加法器，它們按 4 位分組。經過一些快速的谷歌搜索，似乎有各種各樣的加法器電路。

◈ 位圖：你計算機的內存被組織成頁（通常大小爲 2 的 n 次方）。它需要跟蹤每一頁是否空閒。操作系統使用位圖來完成這項工作，其中每個位對應一頁，並且根據頁面是空閒還是佔用，值爲 0 或 1。如果你有一個 9 位的字節，你需要除以 9 來在位圖中找到你要查找的頁面。除以 9 的速度比除以 8 慢，因爲除以 2 的冪次方總是最快的。

我可能很糟糕地扭曲了其中一些解釋：在這裏，我非常超出了自己的知識領域。我們繼續前進吧。

原因 4：小字節大小很好

你可能會想：好吧，如果 8 位字節比 4 位字節更好，爲什麼不繼續增加字節大小呢？我們可以有 16 位字節啊！

有幾個保持字節大小較小的理由：

◈ 它是一種空間浪費 —— 字節是你可以尋址的最小單位，如果你的計算機存儲了大量的 ASCII 文本（只需要 7 位），那麼每個字符分配 12 或 16 個位相當浪費，而你可以使用 8 個位代替。

◈ 隨着字節變得越來越大，你的 CPU 需要變得更復雜。例如，你需要每個位線路一條總線線路。因此，我想簡單總是更好。

我對 CPU 架構的理解非常薄弱，所以就說到這裏吧。對我來說，“這是一種空間浪費” 的理由似乎相當有說服力。

原因 5：兼容性

英特爾 8008（1972 年）是 8080（1974 年）的前身，8080 是第一款 x86 處理器 8086（1976 年）的前身。似乎 8080 和 8086 很受歡迎，這就是我們現代 x86 計算機的來源。

我認爲這裏有一個 “如果它好好的就不要動它” 的問題 - 我假設 8 位字節功能良好，因此英特爾看不到需要更改設計的必要性。如果你保持相同的 8 位字節，那麼你可以重複使用更多指令集。

此外，80 年代左右我們開始出現像 TCP 這樣的網絡協議，它們使用 8 位字節（通常稱爲 “八位組”），如果你要實現網絡協議，你可能希望使用 8 位字節。

就這些！

在我看來，8 位字節的主要原因是：

◈ 很多早期的電腦公司都是美國的，美國使用最廣泛的語言是英語

◈ 這些人希望計算機擅長文本處理

◈ 較小的字節大小通常更好

◈ 7 位是你可以用來容納所有英文字母和標點符號的最小尺寸

◈ 8 比 7 更好（因爲它是 2 的冪次方）

◈ 一旦有得到成功應用的受歡迎的 8 位計算機，你希望保持相同的設計以實現兼容性。

有人指出 這本 1962 年的書 第 65 頁談到了 IBM 選擇 8 位字節的原因，基本上說了相同的內容：

1. 其完整的 256 個字符的容量被認爲足以滿足絕大多數應用程序的需要。

2. 在該容量範圍內，單個字符由單個字節表示，因此任何特定記錄的長度並不因該記錄中字符而異。

3. 8 位字節在存儲空間上是相當經濟的。

4. 對於純數字工作，一個十進制數字只需要 4 個比特表示，兩個這樣的 4 位字節可以打包成一個 8 位字節。儘管這種數字數據包裝不是必需的，但爲了提高速度和存儲效率，它是一種常見做法。嚴格來說，4 位字節屬於不同的代碼，但與 4 位及 8 位方案相比，它們的簡單性導致了更簡單的機器設計和更清晰的尋址邏輯。

5. 4 位和 8 位的字節大小，作爲 2 的冪次方，允許計算機設計師利用二進制尋址和位級索引的強大功能（見第 4 章和第 5 章）。

總的來說，如果你在英語國家設計二進制計算機，選擇 8 位字節似乎是一個非常自然的選擇。

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