【Linux】CPU

硬件

组成一个电脑主机的硬件有哪些？

1. CPU
   CPU也就是中央处理器。整台计算机的大脑，控制一切。

2. 总线
   CPU是大脑，那么总线就相当于神经，是CPU与其他设备的高速通道。

3. 内存
   CPU可以计算东西，但无法保存数据，所计算过程中的所有数据，都需要依靠内存保存。

4. 输入输出设备
   什么鼠标，显示器之类的，也是通过总线链接在一起的。

CPU与内存

CPU分为三个部分：运算单元、数据单元、控制单元。

运算单元：

• 用来计算。
• 但数据从哪来，往哪放它不管。

数据单元：

• 包括CPU内部的缓存和寄存器组。
• 一般来说运算单元需要的数据可以通过总线从内存中读取，但很明显这样太慢了。所以就有了数据单元，可以暂存数据。

控制单元：

• 指挥中心，获得下一条指令，并执行。
• 指导运算单元取出数据单元的某几个数据，然后计算出结果后放到数据单元的某个地方。

CPU如何执行程序并操作数据呢？

• 在控制单元里，有一个指令指针寄存器。其中存放了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，先放到指令寄存器。
• 指令的构成分为两部分：前部分是具体的计算操作，后部分是待操作的数据的地址。
• 把前半部分给运算单元，后半部分给数据单元。数据单元获取到数据后，运算单元进行运算，之后产生结果会先放到数据单元的寄存其里，最后会有指令将数据写回到内存的数据段。

在上述中发现在总线上跑的有两类：地址数据、真实数据。所以总线也有两类，一类是地址总线，一类是数据总线。也可以看出来总线的能力强弱在一定程度上决定了计算的强弱，而总线的强弱就在于总线的位数。

地址总线：

• 地址总线的位数，决定了能访问的地址范围到底有多广。
• 例如只有两位，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。

数据总线：

• 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。

8086处理器（16位）

8086处理器是Inter的16位微处理器 有16根数据线和20根地址线。（计算机的位数实际上就是数据总线的位数）

8086内部8个16位通用寄存器，其中有4个可以分为两个8位寄存器。这些寄存器可以用来暂存数据。

IP寄存器：存放了代码段中下一条指令的位置。

CS代码段寄存器、DS数据段寄存器、SS栈寄存器、ES附加段寄存器（都是16位）。

从内存取数据：DS寄存器保存了数据段的段基地址（16位），同时在通用寄存器里保存了数据段的偏移量（16位）。

从内存取代码：CS代码段寄存器保存了代码段的基地址（16位），同时在IP寄存器中保存了代码段的偏移地址（16位）。

因为8086的地址总线是20位，所以会把基地址左移4位再加上16位偏移量，就能得到20位数据地址。

由于地址总线长度为20位，所以8086CPU能够访问的内存只有2^{20=1M大小**。由于偏移量是116位，所以**一个段的大小是2}16=64k。

32位处理器

32位处理器也就是有32位的数据总线，同时他的地址总线也是32位。

虽说扩展到了32位，但必须兼容之前的16位处理器。如何兼容就成了绕不过的问题。

通用寄存器和IP寄存器的变化不大，主要不兼容的是段寄存器。

段寄存器设定为32位那就可以访问4G的内存，那就不需要偏移了。

所以在32位CPU中，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中叫全局描述符表，表中每一项叫段描述符。段寄存器里面保存的是该表某一项的地址。

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。

因而到了32位的系统架构下，我们将前一种称为实模式，后一种称为保护模式。