首页
论坛
课程
招聘

Linux操作系统的大千世界——x86架构

2021-07-20 20:34

前言

完整的计算机由操作系统和硬件组成,必须两者兼备,而且两者要完美适配才能良好运作。操作系统的数量屈指可数,但是在操作系统下面的硬件却是千千万万。如何做到操作系统兼容各类各式的硬件环境呢?大家都协议一个通用的架构,大家都适配这个架构好了。于是,一个业内通用的架构——x86架构诞生了。

一、计算机的工作模式

计算机的硬件根据功能划分成各自独立的产品,在进行组装时需要按照一定的顺序将复杂的设备和连接线安装好。如何安装我知道,但是为什么要这么安装呢?

 

下图为一个硬件图和计算机的逻辑图,从这里我们可以大概看到计算机的工作模式:

 

img

 

CPU,Central Processing Unit,计算机核心中的核心,所有设备的运作均围绕CPU展开。

 

总线,Bus,CPU连接其他设备时使用,即主板上数量庞大的集成电路,组成了CPU和其他设备的高速通信通道。

 

内存,Memory,保存CPU计算的中间结果,使得CPU在后续运算中可以使用临时保存的计算数据。

 

其他设备,显示器、磁盘、可移动存储介质等。

1. CPU和内存如何进行配合?

CPU可以划分为3个单元:运算单元、数据单元和控制单元。运算单元专注计算,所使用的数据、计算的结果由数据单元保存(这里需要注意的一点是,虽然CPU可以通过内存总线与内存通信,计算使用的数据和计算结果可以保存在内存中,但是这样速度很慢,每次通过总线传输会很消耗时间,所以CPU内部专门开发了一个数据单元,保存临时、少量的计算数据,这样速度会大幅提升)。数据单元包括CPU内部的缓存和寄存器组,空间小,速度快,仅用于临时存放运算数据。控制单元则负责任务分发和调度,用于获取下一条指令,然后执行,会指导运算单元从数据单元中取出多少数据、怎样进行计算、计算结果放在数据单元的何处等。

 

img

 

程序运行后,每个进程会有自己独立的内存空间,例如图中进程A和进程B,互相隔离。程序的运行一般流程是开辟出一篇内存空间,程序的磁盘上的二进制文件被加载到内存空间中,形成代码段、数据段等。进程A和进程B在成功加载后,彼此的运行空间互相隔离,但是并不连续,这里的不连续是指分配的内存空间在物理上不一定是连续的,这主要与Linux操作系统的内存分配机制有关,后续会做详细深入分析。而且除了上图中的代码段和数据段,还会有其他的段。

 

程序运行中需要操作的数据和产生的运算结果,会存放在数据段中。CPU如何执行程序,操作这些数据,产生运算结果,并写回内存呢?

 

CPU的控制单元中有一个指令指针寄存器,保存了下一条指令在内存中的地址。控制单元会从代码段中不断获取指令的地址放入该进村其中,在执行时直接读取该寄存器,就可以知道下一条要执行的指令了。

 

指令一般分两部分,第一部分是做什么操作,第二部分是该操作要操作的数据。要执行这条指令,需要将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中,然后再参与运算。运算单元做完运算,产生的结果暂存在数据单元的数据寄存器中,等待指令将其写回到内存中的数据段中。

2. 进程切换

上面所讲的各种操作均在进程A中进行,那么进程B呢?CPU里有两个专门的寄存器保存当前处理进程的代码段、数据段的起始地址。如果寄存器里保存的是进程A的地址,那么就执行进程A的指令;如果切换为进程B的地址,那么就执行进程B的指令,这个过程称为进程切换(Process Switch)。

 

进程切换是多任务系统的必备操作,后续会进行深入分析。

3. 地址总线和数据总线

CPU和内存的数据传输主要靠总线,总线在整体上分为两类:

  • 地址总线(Address Bus),访问地址数据,即读取内存中何处的数据
  • 数据总线(Data Bus),读取到的数据

地址总线的位数,决定了能访问的地址范围。如何理解?例如总线只有2位,那么能访问的地址就为00、01、10、11这4个地址,如果是3位就可以访问8个地址,所以地址总线位数越多,能访问的地址范围就越广。

 

数据总线的位数,决定了一次可以读多少数据。如何理解?例如总线只有2位,那么CPU一次只能拿2位,想要拿8位,就需要读4次。所以数据总线位数越多,一次可以读取的数据就越多,访问速度也就越快。

4. x86架构

x86泛指一系列基于Intel 8086且向后兼容的中央处理器指令集架构。最早的8086处理器于1978年由Intel推出,为16位微处理器。但是让x86真正得到推广的,是IBM。因为IBM的PC卖得太好,被起诉垄断,无奈之下公开了一些技术,这使得业内其他品牌逐步都开始采用IBM的“Intel 8088芯片1DOS”的PC模式。Intel的技术因此成为了行业的开放事实标准。由于该系列开端与8086,因此称为x86架构。

 

虽然后来的Intel的CPU的数据总线和地址总线越来越宽,处理能力越来越强,但是始终坚持标准、开放、兼容的原则,因此构建了一个庞大的软硬件生态。

 

部分芯片和总线数据如下:

型号 总线位宽 地址位 寻址空间
8080 8 16 64k (2^16)
8086 16 20 1M (2^20)
8088 8 20 1M (2^20)
80386 32 32 4G (2^32)

三、8086的原理

x86中最经典的一款处理器就是8086处理器,至今为止很多操作系统仍然保持对该处理器的兼容性。

 

下图为CPU内部组件构成图:

 

img

 

数据单元,包含8个16位的寄存器:AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。其中,AX、BX、CX、DX可以拆分成2个8位的寄存器使用:AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL。H代表High,表示高位,L代表Low,表示地位。这样以来,长数据可以直接使用完整的寄存器,而短数据也可以妥善处理。

 

控制单元,IP(Instruction Pointer Register)寄存器即指令指针寄存器,用于确定下一条指令的地址。CPU根据该寄存器不断将指令从内存的代码段中加载到指令队列里,然后交给运算单元执行。4个段寄存器,CS、DS、SS、ES寄存器,则用于进程切换中。CS指代码段寄存器(Code Segment Register),通过它可以找到代码在内存中的地址;DS是数据段寄存器,通过它可以找到数据在内存中的地址。SS是栈寄存器(Stack Segment Register),一般存放堆栈段的首地址,配合SP或BP使用,ES是附加段寄存器(Extra Segment)。当前面的段寄存器不够用时,可以使用ES寄存器。

 

进行运算时如何加载内存中的数据呢?

  1. 通过DS确定数据段地址
  2. 通过寄存器确定偏移量(Offset),确定待用数据在段中的偏移(代码段的偏移量会存放在IP寄存器,数据段的偏移量存放在通用寄存器中)
  3. 通过"起始地址 * 16 + 偏移量"确定最终地址

这里需要注意,CS和DS均为16位,IP也是16位,即起始地址和偏移量都是16位,但是8086的地址总线时20位,所以需要通过上面的公式计算出最终的数据地址。

 

根据地址总线长度,8086的最大寻址能力为1M。且因为偏移量为16位,所以一个段的最大的大小为2^16=64K。

四、32位处理器

核心就是扩展总线位宽,扩大内存。地址总线变为32根,寻址能力达到2^32=4G。如何使得硬件保持兼容呢?

 

首先,扩展通用寄存器,将8个16位寄存器扩展为32位,但是依然可以保留16位和8位的使用方式(8位的使用只能在低位,如果高位也切割,就会不兼容)。IP寄存器扩展成32位,同时兼容16位。本质上,思想跟8086的思想是一样的,只是硬件做了升级。

 

img

 

回顾一下8086的寻址方式,20位地址的使用其实是有点尴尬的,结果还导致必须使用“起始地址 * 16 + 偏移量”的方式来计算实际地址。如果寄存器全部变成32位,4G的内存空间都可以访问到,是不是可以省去计算公式呢?

 

在32位寄存器的系统中,CS、DS、SS、ES仍然为16位,但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,表格中的每一项都是一个段描述符(Segment Descriptor),段描述符中放的才是真正的段的起始地址。而段寄存器则存放具体是表格中的哪一项,称为选择子(Selector)。这样,就将从一个段寄存器直接获取段的起始地址,变成先间接地从段寄存器后的表格中的一项,然后从表格的一项中后去真正的段起始地址。实际上为了快速拿到段起始地址,段寄存器会从内存中拿到CPU的描述符高速缓存器中。(这个保存各个段的起始地址的表格其实是GDT(Global Descriptor Table,全局描述符表)和LDT(Local Descriptor Table,局部描述符表))

 

32位这种设计方案的思想很值得大家好好琢磨,单纯地寻址总是要比计算+寻址地速度快的。个人认为,这种方案可以说纠正了20位地址总线的一种技术落后导致的设计错误,而且这种方案远远比20位的更灵活。

 

但是这样会导致不兼容问题的出现,怎么办?大的小的我都要。

 

32位架构下,出现了实模式(Real Pattern)和保护模式(Protect Pattern)。实模式就是前面的运行模式,保护模式就是后面的运行模式。在系统刚启动时,运行在实模式,运行成功后变为保护模式。这其实是一种通过切换模式实现兼容的方案。可见技术的发展,也影响着人的思想的发展。

五、参考

专栏 -- 《趣谈Linux操作系统》


声明:该文观点仅代表作者本人,转载请注明来自看雪专栏
最新评论 (1)
夏日悠长 2月前
1
图没了
登录后即可评论