Linux 從頭學(xué) 01：CPU 是如何執(zhí)行一條指令的
【Linux 從頭學(xué)】是什么
這兩年多以來(lái)，我的本職工作重心一直是在 x86 Linux 系統(tǒng)這一塊，從驅(qū)動(dòng)到中間層，再到應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)。
隨著內(nèi)容的不斷擴(kuò)展，越發(fā)覺(jué)得之前很多基礎(chǔ)的東西都差不多忘記了，比如下面這張表(《深入理解 LINUX 內(nèi)核》第 47 頁(yè))：
這張表描述了 Linux 系統(tǒng)中幾個(gè)段描述符信息。
數(shù)據(jù)段和代碼段，仔細(xì)看一下相關(guān)書(shū)籍就知道這些描述符代表什么意思，但是:
為什么這幾個(gè)段的 Base 地址都是 0x00000000?
為什么 Limit 都是 0xfffff?
為什么它們的 Type 類型和優(yōu)先級(jí) DPL 又各不相同?
如果沒(méi)有對(duì) x86 平臺(tái)的一些基礎(chǔ)知識(shí)的理解，要啃完這本書(shū)真的是挺費(fèi)力氣的!
更要命的是，隨著 Linux 內(nèi)核代碼的體積不斷膨脹，最新的 5.13 版本壓縮檔已經(jīng)是一百多兆了:
這么一個(gè)龐然大物，如何下手才能真正的學(xué)好 Linux 呢?!
即便是從 Linux 0.11 版本開(kāi)始，其中的很多代碼看起來(lái)也是非常費(fèi)勁的!
周末在整理一些吃灰的書(shū)籍時(shí)，發(fā)現(xiàn)幾本以前看過(guò)的好書(shū): 王爽的《匯編語(yǔ)言》，李忠的《從實(shí)模式到保護(hù)模式》，馬朝暉翻譯的《匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》等等。
都是非常-非常-老的書(shū)籍，再次翻了一下，真心覺(jué)得內(nèi)容寫(xiě)得真好!
對(duì)一些概念、原理、設(shè)計(jì)思路的描述，清晰而透徹。
Linux 系統(tǒng)中的很多關(guān)于分段、內(nèi)存、寄存器相關(guān)的設(shè)計(jì)，都可以在這些書(shū)籍中找到基礎(chǔ)支撐。
于是乎，我就有了一個(gè)想法：是否可以把這些書(shū)籍中，與 Linux 系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行一次重讀和整理，但絕不是簡(jiǎn)單的知識(shí)搬運(yùn)。
考慮了一下，大概有下面幾個(gè)想法：
- 先確定最終目標(biāo)的目標(biāo)：學(xué)習(xí) Linux 操作系統(tǒng);
- 這幾本書(shū)寫(xiě)的都是匯編語(yǔ)言，以及比較基礎(chǔ)的底層知識(shí)。我們會(huì)淡化匯編語(yǔ)言部分，把重點(diǎn)放在與 Linux 操作系統(tǒng)有關(guān)聯(lián)的原理部分;
- 不會(huì)嚴(yán)格按照書(shū)中的內(nèi)容、順序來(lái)輸出文章，而是把幾本書(shū)中內(nèi)容相關(guān)的部分放在一起學(xué)習(xí)、討論;
- 有些內(nèi)容，可以與 Linux 2.6 版本中的相關(guān)部分進(jìn)行對(duì)比分析，這樣的話在以后學(xué)習(xí) Linux 內(nèi)核部分時(shí)，可以找到底層的支撐;
- 最后，希望我自己能堅(jiān)持這個(gè)系列，也算是給自己的一個(gè)梳理吧。
一句話：以基礎(chǔ)知識(shí)為主!
作為開(kāi)篇第一章，本文將會(huì)描述下面這張圖的執(zhí)行步驟：
現(xiàn)在就開(kāi)始吧!
古老的 Intel8086 處理器
8086 是 Intel 公司的第一款 16 位處理器，誕生于 1978 年，應(yīng)該比各位小伙伴的年齡都大一些。
在 Intel 公司的所有處理器中，它占有很重要的地位，是整個(gè) Intel 32 位架構(gòu)處理器(IA-32)的開(kāi)山鼻祖。
那么，問(wèn)題來(lái)了，什么叫 16 位的處理器?
有些人會(huì)把處理器的位數(shù)與地址總線的位數(shù)搞混在一起!
我們知道，CPU 在訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)候，是通過(guò)地址總線來(lái)傳送物理地址的。
8086 CPU 有 20 位的地址線，可以傳送 20 位地址。
每一根地址線都表示一個(gè) bit，那么 20 個(gè) bit 可以表示的最大值就是 2 的 20 次方。
也就是說(shuō)：最大可以定位到 1M 地址的內(nèi)存，這稱作 CPU 的尋址能力。
但是，8086 處理器卻是 16 位的，因?yàn)椋?/p>
- 運(yùn)算器一次最多可以處理 16 位的數(shù)據(jù);
- 寄存器的最大寬度為 16 位;
- 寄存器和運(yùn)算器之間的通路為 16 位;
也就是說(shuō)：在 8086 處理器的內(nèi)部，能夠一次性處理、傳輸、暫時(shí)存儲(chǔ)的最大長(zhǎng)度是 16 位，因此，我們說(shuō)它是 16 位結(jié)構(gòu)的 CPU。
主存儲(chǔ)器是什么?
計(jì)算機(jī)的本質(zhì)就是對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，那么參與計(jì)算的數(shù)據(jù)是從哪里來(lái)的呢?那就是一個(gè)稱作 存儲(chǔ)器(Storage 或 Memory)的物理器件。
從廣義上來(lái)說(shuō)，只要能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的器件都可以稱作存儲(chǔ)器，比如：硬盤(pán)、U盤(pán)等。
但是，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，有一種專門(mén)與 CPU 相連接，用來(lái)存儲(chǔ)正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，一般稱作內(nèi)存儲(chǔ)器或者主存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱：內(nèi)存或主存。
內(nèi)存按照字節(jié)來(lái)組織，單次訪問(wèn)的最小單位是 1 個(gè)字節(jié)，這是最基本的存儲(chǔ)單元。
每一個(gè)存儲(chǔ)單元，也就是一個(gè)字節(jié)，都對(duì)應(yīng)著一個(gè)地址，如下圖所示：
CPU 就通過(guò)地址總線來(lái)確定：對(duì)內(nèi)存中的哪一個(gè)存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。
第 1 個(gè)字節(jié)的地址是 0000H，第 2 個(gè)字節(jié)的地址是 0001H，后面以此類推。
圖中的這個(gè)內(nèi)存，最大存儲(chǔ)單元的地址是 FFFFH，換算成十進(jìn)制就是 65535，因此這個(gè)內(nèi)存的容量是 65536 字節(jié)，也就是 64 KB。
這里有一個(gè)原子操作的問(wèn)題可以考慮一下。
在 Linux 內(nèi)核代碼中，很多地方使用了原子操作，比如：互斥鎖的實(shí)現(xiàn)代碼。
為什么原子操作需要對(duì)變量的類型限制為 int 型呢?這就涉及到對(duì)內(nèi)存的讀寫(xiě)操作了。
盡管內(nèi)存的最小組成單位是字節(jié)，但是，經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)和安排，不同位數(shù)的 CPU，能夠按照字節(jié)、字、雙字進(jìn)行訪問(wèn)。
換句話說(shuō)，僅通過(guò)單次訪問(wèn)，16 位處理器就能處理 16 位的二進(jìn)制數(shù)，32 位處理器就能處理 32 位的二進(jìn)制數(shù)。
寄存器是什么?
在 CPU 內(nèi)部，一些都是代表 0 或 1 的電信號(hào)，這些二進(jìn)制數(shù)字的一組電信號(hào)出現(xiàn)在處理器內(nèi)部線路上，它們是一排高低電平的組合，代表著二進(jìn)制數(shù)中的每一位。
在處理器內(nèi)部，必須用一個(gè)稱為寄存器的電路把這些數(shù)據(jù)鎖存起來(lái)。
因此，寄存器本質(zhì)上也屬于存儲(chǔ)器的一種。只不過(guò)它們位于處理器的內(nèi)部，CPU 訪問(wèn)寄存器比訪問(wèn)內(nèi)存的速度更快。
處理器總是很忙的，在它操作的過(guò)程中，所有數(shù)據(jù)在寄存器里面只能是臨時(shí)存在一小會(huì)，然后再被送往別處，這就是為什么它被叫做“寄存器”。
8086 中的寄存器都是 16 位的，可以存放 2 個(gè)字節(jié)，或者說(shuō) 1 個(gè)字。高字節(jié)在前(bit8 ~ bit15)，低字節(jié)在后(bit0 ~ bit7)。
8086 中有下面這些寄存器：
剛才說(shuō)了，這些寄存器都是 16 位的。由于需要與以前更古老的處理器兼容，其中的 4 個(gè)寄存器：AX、BX、CX、DX 還可以當(dāng)成 2 個(gè) 8 位的寄存器來(lái)使用。
比如：AX 代表一個(gè) 16 位的寄存器，AH、AL 分別代表一個(gè) 8 位的寄存器。
- mov AX, 5D 表示把 005D 送入 AX 寄存器(16 位)
- mov AL, 5D 表示把 5D 送入 AL 寄存器(8 位)
三個(gè)總線
當(dāng)我們啟動(dòng)一個(gè)應(yīng)用程序的時(shí)候，這個(gè)程序的代碼和數(shù)據(jù)都被加載到物理內(nèi)存中。
CPU 無(wú)論是讀取指令，還是操作數(shù)據(jù)，都需要與內(nèi)存進(jìn)行信息的交互：
- 確定存儲(chǔ)單元的地址(地址信息);
- 器件的選擇，讀或?qū)懙拿?控制信息);
- 讀或?qū)懙臄?shù)據(jù)(數(shù)據(jù)信息);
在計(jì)算機(jī)中，有專門(mén)連接 CPU 和其他芯片的數(shù)據(jù)，稱為總線。
從邏輯上來(lái)分類，包括下面 3 種總線：
- 地址總線：用來(lái)確定存儲(chǔ)單元的地址;
- 控制總線: CPU 對(duì)外部期間進(jìn)行控制;
- 數(shù)據(jù)總線: CPU 與內(nèi)存或其他器件之間傳送數(shù)據(jù);
8086 有 20 根地址線，稱作地址總線的寬度，它可以尋址 2 的 20 次方個(gè)內(nèi)存單元。
同樣的道理，8086 數(shù)據(jù)總線的寬度是 16，也就是一次性可以傳送 16 bit 的數(shù)據(jù)。
控制總線決定了 CPU 可以對(duì)外進(jìn)行多少種控制，決定了 CPU 對(duì)外部器件的控制能力。
CPU 如何對(duì)內(nèi)存進(jìn)行尋址?
在 Linux 2.6 內(nèi)核代碼中，編譯器產(chǎn)生的地址叫做虛擬地址(也稱作：邏輯地址)，這個(gè)邏輯地址經(jīng)過(guò)段轉(zhuǎn)換之后，變成線性地址，線性地址再經(jīng)過(guò)分頁(yè)轉(zhuǎn)換，就得到最終物理內(nèi)存上的物理地址。
還記得文章開(kāi)頭的那張段描述符的表格嗎?
其中的代碼段和數(shù)據(jù)段描述符的起始地址都是 0x00000000，也就是說(shuō): 在數(shù)值上虛擬地址和轉(zhuǎn)換后的線性地址是相等的(稍后就會(huì)明白為什么是這樣)。
我們?cè)賮?lái)看看一下 8086 中更簡(jiǎn)單的地址轉(zhuǎn)換。
剛才說(shuō)到，內(nèi)存是一個(gè)線性的存儲(chǔ)器件，CPU 依賴地址來(lái)定位每一個(gè)存儲(chǔ)單元。
對(duì)于 8086 CPU 來(lái)說(shuō)，它有 20 根地址線，可以傳送 20 位地址，達(dá)到 1MB 的尋址能力。
但是 8086 又是 16 位的結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部一次性處理、傳輸、暫時(shí)存儲(chǔ)的地址只有 16 位。
從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，如果將地址從內(nèi)部簡(jiǎn)單的發(fā)出到地址總線上，只能送出 16 位的地址，這樣的話，尋址能力只有 64KB。
那么應(yīng)該怎么才能充分利用 20 根地址線呢?
8086 CPU 采用: 在內(nèi)部使用兩個(gè) 16 位地址合成的方法，來(lái)形成一個(gè) 20 位的物理地址，如下所示：
第一個(gè) 16 位的地址稱為段地址，第二個(gè) 16 位的地址稱為偏移地址。
地址加法器采用下面的這個(gè)公式，來(lái)“合成”得到一個(gè) 20 位的物理地址：
- 物理地址 = 段地址 x 16 + 偏移地址
例如：我們編寫(xiě)的程序，在加載到內(nèi)存中之后，放在一個(gè)內(nèi)存空間中。
CPU 在執(zhí)行這些指令的時(shí)候，把 CS 寄存器當(dāng)做段寄存器，把 IP 寄存器當(dāng)做偏移寄存器，然后計(jì)算 CS x 16 + IP 的值，就得到了指令的物理地址。
從以上的描述中可以看出：8086 CPU 似乎是因?yàn)榧拇嫫鳠o(wú)法直接輸出 20 位的物理地址，不得已才使用這樣的地址合成方式。
其實(shí)更本質(zhì)的原因是：8086 CPU 就是想通過(guò) 基地址 + 偏移量 的方式來(lái)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行尋址(這里的基地址，就是段地址左移 4 位)。
也就是說(shuō)，即使 CPU 有能力直接輸出一個(gè) 20 位的地址，它仍然可能會(huì)采用 基地址 + 偏移量的方式來(lái)進(jìn)行內(nèi)存尋址。
想一下：我們?cè)?Linux 系統(tǒng)中編譯一個(gè)庫(kù)文件的時(shí)候，一般都會(huì)在編譯選項(xiàng)中添加 -fPIC 選項(xiàng)，表示編譯出來(lái)的動(dòng)態(tài)庫(kù)是地址無(wú)關(guān)的，在被加載到內(nèi)存時(shí)需要被重定位。
而基地址+偏移量的尋址模式，就為重定位提供了底層支撐。
我們是如何控制 CPU 的?
CPU 其實(shí)是一個(gè)很純粹、很呆板的一個(gè)東西，它唯一做的事情就是：到 CS:IP 這兩個(gè)寄存器指定的內(nèi)存單元中取出一條指令，然后執(zhí)行這條指令：
當(dāng)然了，還需要預(yù)先定義一套指令集，在內(nèi)存中的指令區(qū)中，存儲(chǔ)的都必須是合法的指令，否則 CPU 就不認(rèn)識(shí)了。
每一條指令都是用某些特定的數(shù)(指令碼)來(lái)指示 CPU 進(jìn)行特定的操作。
CPU 認(rèn)識(shí)這些指令，一看到這些指令碼，CPU 就知道這個(gè)指令碼后面還有幾個(gè)字節(jié)的操作數(shù)、需要進(jìn)行什么樣的操作。
例如：指令碼 F4H 表示讓處理器停機(jī)，當(dāng) CPU 執(zhí)行這條指令的時(shí)候，就停止工作。
(其實(shí)這里說(shuō) CPU 已經(jīng)有點(diǎn)不準(zhǔn)確了，因?yàn)?CPU 是囊括了很多器件的一個(gè)整體，也許這里說(shuō) CPU 中的執(zhí)行單元會(huì)更準(zhǔn)確些。)
另外有一點(diǎn)可以提前說(shuō)一下：內(nèi)存中的一切都是數(shù)據(jù)，至于把其中的哪一部分?jǐn)?shù)據(jù)當(dāng)做指令來(lái)執(zhí)行，哪一部分?jǐn)?shù)據(jù)當(dāng)做被指令操作的“變量”，這完全是由操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來(lái)規(guī)劃的。
在 8086 處理器的層面來(lái)說(shuō)，只要是 CS:IP “指向”的內(nèi)存區(qū)域，都被當(dāng)做指令來(lái)執(zhí)行。
從以上描述可以看出：在 CPU 中，程序員能夠用指令讀寫(xiě)的器件只有寄存器，我們可以通過(guò)改變寄存器中的內(nèi)容，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) CPU 的控制。
更直白的說(shuō)就是：我們可以通過(guò)改變 CS、IP 寄存器中的內(nèi)容，來(lái)控制 CPU 執(zhí)行目標(biāo)指令。
作為一名合格的嵌入式開(kāi)發(fā)者，大家估計(jì)都配置過(guò)一些單片機(jī)里的寄存器，以達(dá)到一些功能定義、端口復(fù)用的目的，其實(shí)這些操作，都可以看做是我們對(duì) CPU 的控制。
如果把 CPU 比作木偶，那么 寄存器就是控制木偶的繩索。
我們?cè)侔?CPU 與 工控領(lǐng)域的 PLC 編程進(jìn)行類比一下。
我們?cè)谀玫揭粋€(gè)新的 PLC 設(shè)備之后，其中只有一個(gè)運(yùn)行時(shí)(runtime)，這個(gè)運(yùn)行時(shí)執(zhí)行的本職工作就是：
- 掃描所有的輸入端口，鎖存在輸入映象區(qū);
- 執(zhí)行一個(gè)運(yùn)算、控制邏輯，得到一些列輸出信號(hào)，鎖存到輸出映象區(qū);
- 把輸出映象區(qū)的信號(hào)，刷新到輸出端口;
在一個(gè)全新的 PLC 中，其中第 2 個(gè)步驟中需要的運(yùn)算、控制邏輯可能就不存在。
因此，單單一個(gè) runtime，PLC 是無(wú)法完成一件有意義的工作的。
為了讓 PLC 完成一個(gè)具體的控制目標(biāo)，我們還需要利用 PLC 廠家提供的上位機(jī)編程軟件，開(kāi)發(fā)一個(gè)運(yùn)算、控制邏輯程序，編程語(yǔ)言一般都是梯形圖居多。
當(dāng)這個(gè)程序被下載到 PLC 中之后，它就可以控制運(yùn)行時(shí)來(lái)做一些有意義的工作了。
我們可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為：梯形圖就是用來(lái)控制 PLC 的運(yùn)行時(shí)。
對(duì)于 CPU 來(lái)說(shuō)，想讓它執(zhí)行某個(gè)內(nèi)存單元的指令，只要修改寄存器 CS 和 IP 即可。
換句話說(shuō)：只要對(duì)一個(gè)程序的內(nèi)存布局足夠的清楚，可以把 CPU 玩弄于股掌之間，讓它執(zhí)行哪里的代碼都可以。
CPU 執(zhí)行指令流程
現(xiàn)在我們已經(jīng)明白了地址轉(zhuǎn)換、內(nèi)存的尋址，距離 CPU 執(zhí)行一條指令需要的最小單元還剩下：指令緩沖區(qū)和控制電路。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：指令緩沖區(qū)用來(lái)緩存從內(nèi)存中讀取的指令，控制電路用來(lái)協(xié)調(diào)各種器件對(duì)總線等資源的使用。
對(duì)于下面這張圖來(lái)說(shuō)，它一共有 4 條指令：
以第一條指令來(lái)舉例，它一共經(jīng)過(guò) 5 個(gè)步驟：
- 把 CS:IP 內(nèi)容送入地址加法器，計(jì)算得到 20 位的物理地址 20000H;
- 控制電路把 20 位的地址，送入到地址總線;
- 內(nèi)存中 20000H 單元處的指令 B8 23 01，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)總線被送到指令緩沖區(qū);
- 指令偏移寄存器 IP 的值要加 3，指向下一條等待被執(zhí)行的偏移地址(因?yàn)橹噶畲a B8 代表當(dāng)前指令的長(zhǎng)度是 3 個(gè)字節(jié));
- 執(zhí)行指令緩沖區(qū)中的指令: 把數(shù)值 0123H 送入寄存器 AX 中;
以上就是一條指令的執(zhí)行最基本步驟，當(dāng)然，現(xiàn)代處理器的指令執(zhí)行流程，比這里的要復(fù)雜的多得多。
萬(wàn)丈高樓平地起!
這篇文章，僅僅描述了 CPU 執(zhí)行一條指令所需要的最小知識(shí)點(diǎn)。
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