計(jì)算機(jī)程序的Bug千奇百怪，要想能順利的解決疑難雜癥，必須對(duì)計(jì)算機(jī)的底層原理非常熟悉。比如在實(shí)際生產(chǎn)中不光我們的應(yīng)用會(huì)出問題，操作系統(tǒng)也可能有Bug，硬件也可能有Bug。因此，只有更加深入的理解了原理，才能更加方便我們解決問題。

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本文對(duì)計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)底層原理進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。這些知識(shí)對(duì)于幫助我們解決疑難問題會(huì)有很大的幫助。做程序開發(fā)應(yīng)該深入原理，不僅要知其然，還要知其所以然。

計(jì)算機(jī)的工作模式

1. 對(duì)于一個(gè)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，最核心的是CPU，CPU是計(jì)算機(jī)的大腦，所有設(shè)備都圍繞其展開
2. CPU通過(guò)總線(Bus)與其他設(shè)備連接，在這些設(shè)備中，最為重要的是內(nèi)存(Memory)
3. 單靠CPU是無(wú)法完成計(jì)算任務(wù)的，很多復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)都需要將中間結(jié)果保存下來(lái)，然后基于中間結(jié)果進(jìn)行下一步的計(jì)算
4. CPU和內(nèi)存是完成計(jì)算的核心組件

CPU本身無(wú)法保存這么多的中間結(jié)果，因此需要依賴于內(nèi)存

CPU

1. CPU包含三部分：運(yùn)算單元、數(shù)據(jù)單元和控制單元
2. 運(yùn)算單元只管計(jì)算，但它不知道應(yīng)該算哪些數(shù)據(jù)，運(yùn)算結(jié)果應(yīng)該放在哪里
3. 運(yùn)算單元計(jì)算的數(shù)據(jù)如果每次都要經(jīng)過(guò)總線，直接到內(nèi)存里面現(xiàn)拿，速度會(huì)很慢，因此出現(xiàn)了數(shù)據(jù)單元
4. 數(shù)據(jù)單元包括CPU內(nèi)部的緩存和寄存器組，空間很小，但速度很快
5. 控制單元是一個(gè)統(tǒng)一的指揮中心，可以獲得下一條指令，然后執(zhí)行這條指令

這個(gè)指令會(huì)指導(dǎo)運(yùn)算單元取出數(shù)據(jù)單元中的某幾個(gè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出結(jié)果，然后放在數(shù)據(jù)單元的某個(gè)地方

計(jì)算過(guò)程

1. 每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)程序放在硬盤上，是二進(jìn)制的，在里面存儲(chǔ)的是一行一行的指令，這些指令會(huì)操作一些數(shù)據(jù)

2. 進(jìn)程開始運(yùn)行，會(huì)有獨(dú)立的內(nèi)存空間，相互隔離但不連續(xù) - 程序會(huì)分別加載到進(jìn)程A和進(jìn)程B的內(nèi)存空間里面，形成各自的代碼段

3. 程序在運(yùn)行過(guò)程中要操作的數(shù)據(jù)和產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果，都會(huì)放在數(shù)據(jù)段(內(nèi)存)里

4. 在CPU的控制單元里面，有一個(gè)指令指針寄存器，記錄的是下一條指令在內(nèi)存中的地址 - 控制單元會(huì)不停地將代碼段的指令拿進(jìn)來(lái)，先放入指令寄存器

5. 指令的組成部分：做什么操作 + 操作哪些數(shù)據(jù) - 要執(zhí)行指令，需要將***部分交給運(yùn)算單元，將第二部分交給數(shù)據(jù)單元

6. 數(shù)據(jù)單元根據(jù)數(shù)據(jù)的地址，從數(shù)據(jù)段里讀取數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)寄存器，最終會(huì)有指令將數(shù)據(jù)寫回到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)段

7. CPU里有兩個(gè)寄存器，專門保存當(dāng)前處理進(jìn)程的代碼段起始地址和數(shù)據(jù)段起始地址，圖中的當(dāng)前進(jìn)程為進(jìn)程A

8. CPU和內(nèi)存通過(guò)總線傳輸數(shù)據(jù)，總線上有兩類數(shù)據(jù) - 地址總線(Address Bus)：地址數(shù)據(jù)，位數(shù)決定了能訪問的地址有多廣 - 數(shù)據(jù)總線(Data Bus)：真正的數(shù)據(jù)，位數(shù)決定了一次性能拿多少數(shù)據(jù)

x86架構(gòu)

型號(hào)

8086的原理

通用寄存器

1. 為了暫存數(shù)據(jù)，8086處理器內(nèi)部有8個(gè)16位的通用寄存器，屬于CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)單元
2. 分別是AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI和DI
3. 其中AX、BX、CX和DX可以分成兩個(gè)8位的寄存器來(lái)使用，其中H就是High，L就是Low
4. 這樣，比較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)也能暫存，比較短的數(shù)據(jù)也能暫存

控制單元

• IP寄存器(Instruction Pointer Register)即指令指針寄存器

- 指向代碼段中下一條指令的位置

- CPU會(huì)根據(jù)IP寄存器不斷地將指令從內(nèi)存的代碼段中，加載到CPU的指令隊(duì)列中，然后交給運(yùn)算單元去執(zhí)行

• 切換進(jìn)程

- 每個(gè)進(jìn)程都分為代碼段和數(shù)據(jù)段

- 為了指向不同進(jìn)程的地址空間，有4個(gè)16位的段寄存器，分別是CS、DS、SS和ES

• CS(Code Segment Register)是代碼段寄存器，通過(guò)它可以找到代碼在內(nèi)存中的位置
• DS(Data Segment Register)是數(shù)據(jù)段寄存器，通過(guò)它可以找到數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的位置
• SS(Stack Segment Register)是棧寄存器，但凡與函數(shù)調(diào)用相關(guān)的操作，都與棧緊密相關(guān)

- A調(diào)用B，B調(diào)用C

- 當(dāng)A調(diào)用B的時(shí)候，要執(zhí)行B函數(shù)的邏輯，因而A運(yùn)行的相關(guān)信息會(huì)被push到棧里

- 當(dāng)B調(diào)用C的時(shí)候，同理，B運(yùn)行的相關(guān)信息會(huì)被push到棧里，然后才運(yùn)行C函數(shù)的邏輯

- 當(dāng)C運(yùn)行完畢后，先pop出來(lái)的是B，B接著調(diào)用C函數(shù)之后的指令運(yùn)行下去

- B運(yùn)行完畢后，再pop出來(lái)的是A，A接著運(yùn)行，直至結(jié)束

加載內(nèi)存數(shù)據(jù)

1. 如果需要加載內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)DS找到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，加載到通用寄存器
2. 對(duì)于一個(gè)段，有一個(gè)起始地址，而段內(nèi)的具體位置，稱為偏移量
3. CS和DS都存放著一個(gè)段的起始地址

• 代碼段的偏移量放在IP寄存器
• 數(shù)據(jù)段的偏移量放在通用寄存器

1. CS和DS都是16位的(起始地址)，IP寄存器和通用寄存器也都是16位的(偏移量)，但8086的地址總線是20位的

• 湊20位：起始地址 << 4 + 偏移量

1. 無(wú)論真正的內(nèi)存有多大，對(duì)于只有20位地址總線的8086來(lái)說(shuō)，能夠區(qū)分的地址也就2^20=1M(尋址單位為Byte)

• 如果想訪問1M+X的地方，在總線上超過(guò)20位的部分根本發(fā)不出去，***訪問的還是1M內(nèi)的X位置

1. 偏移量只有16位的，所以一個(gè)段的***大小為2^16=64K
2. 因此對(duì)于8086的CPU來(lái)說(shuō)，最多只能訪問1M的內(nèi)存空間，還要分成多個(gè)段，每個(gè)段***為64K

32位處理器

1. 在32位的CPU中，有32根地址總線，可以訪問2^32=4G的內(nèi)存
2. x86架構(gòu)是開放的，因此32位的CPU需要兼容原來(lái)的架構(gòu)

兼容

1. 通用寄存器 - 將8個(gè)16位的通用寄存器擴(kuò)展到8個(gè)32位的通用寄存器，但依然保留16位和8位的使用方式 - 高16位不能分成兩個(gè)8位使用，因?yàn)檫@是不兼容的

2. IP寄存器 - 指向下一條指令的指令指針寄存器IP，會(huì)擴(kuò)展成32位的，同樣兼容16位

3. 段寄存器(Segment Register) - CS、DS、SS和ES仍然是16位，但不再是段的起始地址，段的起始地址放在內(nèi)存的某個(gè)地方(表格)

- 表格中的一項(xiàng)是段描述符(Segment Descriptor)，里面才是段真正的起始地址 - 而段寄存器里面保存的是這個(gè)表格中的某一項(xiàng)，稱為選擇子(Selector)

- 獲取段起始地址的流程：先間接地從段寄存器中找到表格中的一項(xiàng)，再?gòu)谋砀裰械囊豁?xiàng)拿到段真正的起始地址

- 為了快速拿到段的起始地址，段寄存器會(huì)從內(nèi)存中拿到CPU的描述符高速緩存器中

- 這種模式與8086的模式不兼容，但非常靈活，可以保持未來(lái)的兼容性

實(shí)模式 VS 保護(hù)模式

1. 在32位的架構(gòu)下，將前一種模式稱為實(shí)模式(Real Pattern)，后一種模式稱為保護(hù)模式(Protected Pattern)
2. 系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)的時(shí)候，CPU處于實(shí)模式，此時(shí)和原來(lái)的模式是兼容的。即32位的CPU，也支持在原來(lái)的模式下運(yùn)行，速度會(huì)快一點(diǎn)
3. 當(dāng)需要更多內(nèi)存時(shí)，可以遵循一定的規(guī)則，進(jìn)行一系列的操作，然后切換到保護(hù)模式，就能夠用到32位CPU更強(qiáng)大的能力
4. 如果不能無(wú)縫兼容，但通過(guò)切換模式兼容，也是可以接受的

系統(tǒng)交互

常用匯編指令

mov, call, jmp, int, ret, add, or, xor, shl, shr, push, pop, inc, dec, sub, cmp