linux操作系统：x86架构，一个良好的运营环境_linux系统86盒

对于一个操作系统来说，如果下面的硬件环境千差万别，就会很难集中精力做出让用户易用的产品。比较天天适配不同的平台就很头大了。因此，就出现了x64架构这样一个开放的平台。

计算机的工作模式是什么样的

计算机是由一堆硬件组成的：

• 对一台计算机来讲，最核心的就是CPU（Central Processing Unit，中央处理器），这是计算机的大脑，所有的设备都围绕它展开（CPU是一条计算机中真正干活的设备）
• CPU和其他设备连接，要靠一种叫做总线（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的中间结果，这就要依赖内存了
• 当然总线上还有一些其他设备，比如显卡会连接显示器、磁盘控制器会连接硬盘、UDB控制器会连接键盘和鼠标等等

计算机是怎么工作的？

• CPU有三个部分组成：运算单元、数据单元和控制单元
  • 运算单元只管计算，比如做加法、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，但是速度很快，可以暂存数据和计算结果
  • 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，计算出结果，然后放在数据单元的某个地方。

• 进程一旦运行，比如上图中的进程A和进程B，会有独立的内存空间，相互隔离，程序会分布加载到进程A和进程A的内存空间里面，形成各自的代码段。 程序运行过程中要操作的数据和产生的计算结果，都会被放到数据段里面。那CPU是怎么执行这些程序，操作这些数据，产生一些结果，并写回内存呢？
  • 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。控制单元会不停的将代码段的指令拿进来，先放入指令寄存器
  • 当前指令分为两部分，一部分是做什么操作，比如是加法还是位移，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中。最终，会有指令将数据写回内存。
  • 补充：CPU是如何同时运行两个进程的
    • CPU里面有两个寄存器，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
    • 当地址为进程A的地址，那么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。这个过程叫做进程切换。
• CPU和内存来来回回传输数据，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，这种总线叫做地址总线（address bus）
  • 一个是真正的数据，这类总线叫做数据总线（data bus）
• 所以所有，总线就好比连接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有多广。比如只有两位，那CPU就只能认00、01、10、11这四个位置，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
  • 数据总线的位置，决定了一次能拿多少个数据进来2。比如只有两位，那CPU就只能从内存拿两位数。要想拿八位，就要拿四次，一次拿的数据绝越多，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。CPU架构不一样，就没法形成统一的体系，就不会有我们现在的通用计算机，更别提什么云计算、大数据这些统一的大平台了。

随着市场的发展，因特网的PC机占据了大部分份额，又公开了一些技术，于是出现了无数IMP-PC兼容机公司的出现，于是， 英特尔的技术成为了行业的开放事实标准。由于这个系列开端于8086，因此统称为x86架构，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

x64中最经典的一款处理器叫做8086处理器，虽然它已经很老了，但是操作系统中很多特性都和它相关，并且一直保持兼容。

我们把CPU里面的组件放大之后来看：

• 我们先来看数据单元
  • 为了暂存数据，8086处理器内部有8个16位的通用寄存器，分别是 AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。
  • 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。
  • 这样，比较长的数据也能暂存（16位），比较短的数据也能暂存。
• 接下来是数据单元
  • IP寄存器就是指令控制寄存器（Instruction Pointer Register)，指向代码段中下一条指令的位置。CPU会根据它来不断的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4个 16 位的段寄存器，分别是 CS、DS、SS、ES。
  • 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，秉承后入先出的原则，push就是入栈、pop就是出栈
  • 凡是和函数调用相关的操作，都和栈紧密相关。
    • 比如，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，B相关的信息也会被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，在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，有一个起始地址，而段内的具体位置，叫做偏移量。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中都存放这一个段的起始地址。代码段的偏移量在IP寄存器，数据段的偏移量在通用寄存器
  • 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看出，无论真正的内存是多么大，对于只有20位的地址总线的8086来说，能够区分出的地址也就是2^20=1M，超过这个空间就访问不到了。因为如果你想访问1M+X的地方，这个位置就已经超过20位了，由于地址总线只有20位，在总线上超过20位的部分根本是发布出去的，所以发出去的还是X，最后还是会访问1M内的X的位置。
  • 那一个段最大能都大呢？因为偏移量只能是16位的，所以一个段最大是2^16=64K
  • 也就是对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

关于32位处理器

后来，随着计算机的发展，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。

那在开发的架构上，怎么保持兼容呢？

• 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。
• 其中，执行下一条指令的指令寄存器IP，被扩展为32位的，同样也兼容16位
• 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位置，也没有按照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。这样每次都要左移两位，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，还左移不左移呢？
  • 因此我们索性就重新定义一把。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。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，叫做选择子
  • 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
  • 这样段起始地址就会很灵活了。当然为了快速拿到段起始地址，段寄存器会从内存中拿到CPU的描述符高速缓存中
  • 这样就不兼容了，咋办呢？好在后面这种模式灵活度非常高，可以保持将来一直兼容下去。前面的模式出现的时候，没想到自己能够成为一个标准，所以设计就没这么灵活。
  • 因此，到了32为的系统架构下，我们将前一种模式叫做实模式（Real Pattern），后一种模式叫做保护模式（Protected Pattern）
  • 当系统刚刚启动的时候，CPU是出于实模式的。当需要更多内存的时候，你可以遵循一定的规则，进行一系列的操作，然后切换到保护模式，就能够用到32位的CPU更强大的能力。也就是说，不能无缝兼容，但是可以通过切换模式兼容