【Linux】x86结构

【Linux】x86结构

x86 平台：开放、统一、兼容。

1 计算机的工作模式

CPU（Central Processing Unit，中央处理器） 是计算机中最核心的单元，负责数据的计算。CPU 通过 总线（Bus） 与其他设备相连，在这些设备中，最重要的是 内存（Memory）。因为单靠 CPU 是没办法完成计算任务的，很多复杂的计算任务都需要将中间结果保存下来，然后基于中间结果进行进一步的计算。CPU 本身没办法保存这么多中间结果，这就要依赖内存了。

CPU 和内存是完成计算任务的核心组件，那他们是如何配合完成工作的呢？

CPU 实际上是由三个部分组成：

• 运算单元：只管运算，如加法、位移等；
• 控制单元；统一的指挥中心，它可以 获得下一条指令，然后执行这条指令。这个指令会指导运算单元取出数据单元中的某几个数据，计算出个结果，然后放在数据单元的某个地方；
• 数据单元：包括 CPU 内部的缓存和寄存器组，空间小，但速度快，暂存数据和运算结果；

进程一旦运行，比如图中两个进程 A 和 B，会有独立的内存空间，互相隔离，程序会分别加载到进程 A 和进程 B 的内存空间里面，形成各自的代码段（实际上更加复杂）。

CPU 的控制单元里面，有一个 指令指针寄存器，它里面存放的是下一条指令在内存中的地址。控制单元会不停地将代码段的指令拿进来，先放入指令寄存器。

当前的指令分两部分：

• 做什么操作，例如是加法还是位移；
• 操作哪些数据；

要执行这条指令，就要把第一部分交给运算单元，第二部分交给数据单元。数据单元 根据数据的地址，从数据段里读到数据寄存器里，就可以参与运算了。运算单元 做完运算，产生的结果会暂存在数据单元的数据寄存器里。最终，会有指令将数据写回内存中的数据段。

CPU 和内存来来回回传数据，靠的都是总线。其实总线上主要有两类数据，一个是地址数据，也就是我想拿内存中哪个位置的数据，这类总线叫 地址总线（Address Bus）；另一类是真正的数据，这类总线叫 数据总线（Data Bus）。

地址总线的位数，决定了能访问的地址范围到底有多广。 例如只有两位，那 CPU 就只能认 00，01，10，11 四个位置，超过四个位置，就区分不出来了。位数越多，能够访问的位置就越多，能管理的内存的范围也就越广。

数据总线的位数，决定了一次能拿多少个数据进来。 例如只有两位，那 CPU 一次只能从内存拿两位数。要想拿八位，就要拿四次。位数越多，一次拿的数据就越多，访问速度也就越快。

2 8086处理器原理

我们来看 x86 中最经典的一款处理器，8086 处理器。虽然它已经很老了，但是咱们现在操作系统中的很多特性都和它有关，并且一直保持兼容。

2.1 数据单元

为了暂存数据，8086 处理器内部有 8 个 16 位的通用寄存器，也就是刚才说的 CPU 内部的数据单元，分别是 AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。这些寄存器主要用于在计算过程中暂存数据。

这些寄存器比较灵活，其中 AX、BX、CX、DX 可以分成两个 8 位的寄存器来使用，分别是 AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL，其中 H 就是 High（高位），L 就是 Low（低位）的意思。

2.2 控制单元

IP 寄存器 就是 指令指针寄存器（Instruction Pointer Register)，指向代码段中下一条指令的位置。CPU 会根据它来不断地将指令从内存的代码段中，加载到 CPU 的指令队列中，然后交给运算单元去执行。

每个进程都分代码段和数据段，为了指向不同进程的地址空间，有 4 个 16 位的段寄存器，分别是 CS、DS、SS、ES。其中，CS 就是 代码段寄存器（Code Segment Register），通过它可以找到代码在内存中的位置；DS 是 数据段的寄存器（Data Segment Register），通过它可以找到数据在内存中的位置。SS 是 栈寄存器（Stack Register）。

对于一个段，有一个起始的地址，而段内的具体位置，称为 偏移量（Offset）。在 CS 和 DS 中都存放着一个段的起始地址。代码段的偏移量在 IP 寄存器中，数据段的偏移量会放在通用寄存器中。

这时候问题来了，CS 和 DS 都是 16 位的，也就是说，起始地址都是 16 位的，IP 寄存器和通用寄存器都是 16 位的，偏移量也是 16 位的，但是 8086 的地址总线地址是 20 位。怎么凑够这 20 位呢？方法就是“起始地址 *16+ 偏移量”，也就是把 CS 和 DS 中的值左移 4 位，变成 20 位的，加上 16 位的偏移量，这样就可以得到最终 20 位的数据地址。

2.3 计算单元

不展开，可看csapp，后续再填坑。

3 从 8086 进行扩展与兼容

首先，通用寄存器有扩展，可以将 8 个 16 位的扩展到 8 个 32 位的，但是依然可以保留 16 位的和 8 位的使用方式。其中，指向下一条指令的指令指针寄存器 IP，就会扩展成 32 位的，同样也兼容 16 位的。

而改动比较大，有点不兼容的就是 段寄存器（Segment Register）。CS、SS、DS、ES 仍然是 16 位的，但是不再是段的起始地址。段的起始地址放在内存的某个地方。这个地方是一个表格，表格中的一项一项是 段描述符（Segment Descriptor）。这里面才是真正的段的起始地址。而段寄存器里面保存的是在这个表格中的哪一项，称为 选择子（Selector）。

这样，将一个从段寄存器直接拿到的段起始地址，就变成了 先间接地从段寄存器找到表格中的一项，再从表格中的一项中拿到段起始地址。

因而到了 32 位的系统架构下，我们将前一种模式称为 实模式（Real Pattern），后一种模式称为 保护模式（Protected Pattern）。当系统刚刚启动的时候，CPU 是处于实模式的，这个时候和原来的模式是兼容的。