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对于一个计算机来讲，最核心的就是CPU （Central Processing Unit，中央处理器）。这是这台计算机的大脑，所有的设备都围绕它展开。对于公司来说，CPU 是真正干活的，将来执行项目都要靠它。

CPU 和其他设备连接，要靠一种叫作总线 （Bus）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 （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。

内存就相当于办公室，我们要看看方不方便租到办公室，有没有什么创新科技园之类的。有了共享的、便宜的办公位，公司就有注册地了。

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 其实也不是单纯的一块，它包括三个部分，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、做位移等等。但是，它不知道应该算哪些数据，运算结果应该放在哪里。

运算单元计算的数据如果每次都要经过总线，到内存里面现拿，这样就太慢了，所以就有了数据单元 。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。

有了放数据的地方，也有了算的地方，还需要有个指挥到底做什么运算的地方，这就是控制单元 。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。

每个项目都有一个项目执行计划书，里面是一行行项目执行的指令，这些都是放在档案库里面的。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。

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。当然真实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，除了简单的区分代码段和数据段，还会分的更细。

程序运行的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。

当前的指令分两部分，一部分是做什么操作，例如是加法还是位移；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。

你可能会问，上面算来算去执行的都是进程 A 里的指令，那进程 B 呢？CPU 里有两个寄存器，专门保存当前处理进程的代码段的起始地址，以及数据段的起始地址。这里面写的都是进程 A，那当前执行的就是进程 A 的指令，等切换成进程 B，就会执行 B 的指令了，这个过程叫作进程切换 （Process Switch）。

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）。

所以说，总线其实有点像连接 CPU 和内存这两个设备的高速公路，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，能管理的内存的范围也就越广。

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。

那 CPU 中总线的位数有没有个标准呢？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。

早期的 IBM 凭借大型机技术成为计算机市场的领头羊，直到后来个人计算机兴起，苹果公司诞生。但是，那个时候，无论是大型机还是个人计算机，每家的 CPU 架构都不一样。如果一直是这样，个人电脑、平板电脑、手机等等，都没办法形成统一的体系，就不会有我们现在通用的计算机了，更别提什么云计算、大数据这些统一的大平台了。好在历史将 x86 平台推到了开放、统一、兼容 的位置。

对于当年的 PC 机来说，其实也是这样。英特尔的技术因此成为了行业的开放事实标准。由于这个系列开端于 8086，因此称为 x86 架构。

后来英特尔的 CPU 数据总线和地址总线越来越宽，处理能力越来越强。但是一直不能忘记三点，一是标准，二是开放，三是兼容。因为要想如此大的一个软硬件生态都基于这个架构，符合它的标准，如果是封闭或者不兼容的，那谁都不答应。

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，并且一直保持兼容。

先来看数据单元。

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。

接着来看控制单元。

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。

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，通过它可以找到数据在内存中的位置。

SS 是栈寄存器（Stack Register）。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。

凡是与函数调用相关的操作，都与栈紧密相关。例如，A 调用 B，B 调用 C。当 A 调用 B 的时候，要执行 B 函数的逻辑，因而 A 运行的相关信息就会被 push 到栈里面。当 B 调用 C 的时候，同样，B 运行相关信息会被 push 到栈里面，然后才运行 C 函数的逻辑。当 C 运行完毕的时候，先 pop 出来的是 B，B 就接着调用 C 之后的指令运行下去。B 运行完了，再 pop 出来的就是 A，A 接着运行，直到结束。

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 （Offset）。例如 8 号会议室的第三排，8 号会议室就是起始地址，第三排就是偏移量。

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 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。

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。

是不是好可怜？对于 8086CPU，最多只能访问 1M 的内存空间，还要分成多个段，每个段最多 64K。尽管我们现在看来这不可想象的小，根本没法儿用，但是在当时其实够用了。

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当然，后来计算机的发展日新月异，内存越来越大，总线也越来越宽。在 32 位处理器中，有 32 根地址总线，可以访问 2^32=4G 的内存。使用原来的模式肯定不行了，但是又不能完全抛弃原来的模式，因为这个架构是开放的。

“开放”，意味着有大量其他公司的软硬件是基于这个架构来实现的，不能为所欲为，想怎么改怎么改，一定要和原来的架构兼容，而且要一直兼容，这样大家才愿意跟着你这个开放平台一直玩下去。如果你朝令夕改，那其他厂商就惨了。

如果是不开放的架构，那就没有问题。硬件、操作系统，甚至上面的软件都是自己搞的，你想怎么改就可以怎么改。

我们下面来说说，在开放架构的基础上，如何保持兼容呢？

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。你可能会问，为什么高 16 位不分成两个 8 位使用呢？因为这样就不兼容了呀！

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）。

因为原来的模式其实有点不伦不类，因为它没有把 16 位当成一个段的起始地址，也没有按 8 位或者 16 位扩展的形式，而是根据当时的硬件，弄了一个不上不下的 20 位的地址。这样每次都要左移四位，也就意味着段的起始地址不能是任何一个地方，只是能整除 16 的地方。

如果新的段寄存器都改成 32 位的，明明 4G 的内存全部都能访问到，还左移不左移四位呢？

那我们索性就重新定义一把吧。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）。

而改动比较大，有点不兼容的就是段寄存器 （Segment Register）。

因为原来的模式其实有点不伦不类，因为它没有把 16 位当成一个段的起始地址，也没有按 8 位或者 16 位扩展的形式，而是根据当时的硬件，弄了一个不上不下的 20 位的地址。这样每次都要左移四位，也就意味着段的起始地址不能是任何一个地方，只是能整除 16 的地方。

如果新的段寄存器都改成 32 位的，明明 4G 的内存全部都能访问到，还左移不左移四位呢？

那我们索性就重新定义一把吧。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）。

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