计算机X86架构

简介: 【9月更文挑战第7天】计算机的基本工作原理,重点阐述了CPU(中央处理器)及其内部结构,包括运算单元、数据单元和控制单元的功能。文中还解释了内存、总线(地址总线和数据总线)的作用,并简述了x86架构与操作系统交互的关键部分及基本指令集。

先来看看计算机的工作模式。

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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。

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中间结果,这就要依赖内存了。

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。

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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。

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)。

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。

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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。

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。

8086CPU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。

x86 架构总体来说还是很复杂的,其中和操作系统交互比较密切的部分如下图:

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move a b :把b值赋给a,使a=b call和ret :call调用子程序,子程序以ret结尾 jmp :无条件跳 int :中断指令 add a b : 加法,a=a+b or :或运算 xor :异或运算 shl :算术左移 ahr :算术右移 push xxx :压xxx入栈 pop xxx: xxx出栈 inc: 加1 dec: 减1 sub a b : a=a-b cmp: 减法比较,修改标志位。

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