Linux学习之路------x86架构

最新推荐文章于 2025-06-09 10:12:53 发布

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#操作系统 #Linux #x86 #架构 #CPU

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本文深入解析计算机硬件与软件如何协同工作，重点介绍CPU、内存、总线的角色及8086处理器的内部结构，探讨从16位到32位处理器的演进，以及兼容模式的实现。

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作为Linux操作系统，如果硬件环境千差万别，就会很难集中精力做出让用户易用的产品。x86架构是一个开放的平台。

计算机的工作模式是什么样的？

还记得咱们攒电脑时买的那堆硬件么？虽然你可以根据经验，把那些复杂的设备和线安装起来，但是你真的了解它们为什么要这么连接么？

现在我就把硬件图和计算机的逻辑图对应起来，带你看看计算机的工作模式。
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对于一个计算机来讲，最核心的就是CPU。这是这台计算机的大脑，所有的设备都围绕它展开。

CPU和其他设备连接，要靠一种叫做总线的东西，其实就是主板上密密麻麻的集成电路，这些东西组成了CPU和其他设备的高速通道。

在这些设备中，最重要的是内存。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。

当然总线上还有一些其他设备，例如显卡会连接显示器、磁盘控制器会连接硬盘、USB控制器会连接键盘和鼠标等等。

CPU和内存是完成计算任务的核心组件，所以这里我们重点介绍一下CPU和内存是如何配合工作的。CPU包括三个部分：运算单元、数据单元和控制单元

运算单元只管算，例如做加法、做位移等待。但是，它不知道应该算哪些数据，运算结果应该放在哪里。

数据单元包括CPU内部的缓存和寄存器组、空间很小，但是速度飞快，可以暂时存放数据和运算结果。

控制单元控制单元是一个统一的指挥中心，它可以获得下一条指令，然后执行这条指令。这个指令会知道运算单元去除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。
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每个进程都有一个程序放在硬盘上，是二进制的，再里面就是一行行的指令，会操作一些数据。程序一旦运行，比如图中的两个进程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，形成各自的代码段。当然真实的情况肯定比我说的要复杂的多，进程的内存虽然隔离但不连续，除了简单但区分代码段和数据段，还会分的更细。

程序运行但过程中要操作的数据和产生的计算结果，都会放在数据段里面。那CPU怎么执行这些程序，操作这些数据，产生一些结果，并写入回内存呢？

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。当前的指令分成两部分，一部分是做什么操作；一部分是操作哪些数据。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，从数据段里读取到数据寄存器里，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。

到这里，你会发现，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，也就是我想那内存中那个位置的数据，这类总线叫地址总线；另一类是真正的数据，这类总线叫数据总线。所以说，总线其实有点像连接CPU和内存这两个设备的高速通道，说总线到底是多少位，就类似说高速公路有几个车道。但是这两种总线的位数意义是不同的。

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，能管理的内存范围也就越广。

而数据总线的位数，决定了一次能拿多少个数据进来。例如只有两位，那CPU一次只能存内存拿两位数。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。

x86 成为开放平台历史中的重要一笔

那CPU中总线的位数有没有标准呢？如果没有标准，那操作系统作为软件就很难办了，因为软件层没办法实现通用的运算逻辑。这就像很多非标准的元器件一样，你烧你的电路板，我烧我的电路板，谁都不能用彼此的。

好在历史将x86平台推到了开放、统一、兼容的位置。

从8086的原理说起
说完了x86的历史，我们再来看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，并且一致保持兼容。

我们把CPU里面的组件放大之后来看：
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我们先来看看数据单元，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存储数据。这些寄存器比较灵活，其中AX、BX、CX、DX可以当作8位的寄存器来使用H表示高位，L表示地位，这样较长的数据和较短的数据都能很好的保存起来。

接着我们来看控制单元。IP寄存器就是指令指针寄存器，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。

如果需要切换进程呢？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，有四个16位的段寄存器，分别是CS、DS、SS、ES。

其中CS就是代码端寄存器，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，通过它可以找到数据在内存中的位置。

SS是栈寄存器。栈是程序运行中一个特殊的数据结构，数据的存取只能从一端进行，秉承后进先出的原则，push就是入栈，pop就是出栈。

如果运算中需要加载内存中的数据，需要通过DS找到内存中的数据，加载到通用寄存器中，应该如何加载呢？对于一个段，有一个起始的地址，而段内的具体位置，我们称为偏移量。

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中的值左移四位，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。

从这个计算方式可以算出，无论真正的内存多么大，对于只有 20 位地址总线的 8086 来讲，能够区分出的地址也就 2^20=1M，超过这个空间就访问不到了。这又是为啥呢？如果你想访问 1M+X 的地方，这个位置已经超过 20 位了，由于地址总线只有 20 位，在总线上超过 20 位的部分根本是发不出去的，所以发出去的还是 X，最后还是会访问 1M 内的 X 的位置。

那一个段最大能有多大呢？因为偏移量只能是 16 位的，所以一个段最大的大小是 2^16=64k。