基于Von Neumann體系計算機的物理結(jié)構(gòu)

內(nèi)存

每個內(nèi)存單元有一個地址內(nèi)存地址是從0開始編號的整數(shù)，CPU通過地址找到相應(yīng)的內(nèi)存單元，取其中的指令或者讀寫其中的數(shù)據(jù)。一個地址所對應(yīng)的內(nèi)存單元只能存一個字節(jié)，像int、float等多字節(jié)的數(shù)據(jù)類型保存在內(nèi)存中要占用連續(xù)的多個地址，它們的地址是它所占內(nèi)存單元的起始地址。

CPU

CPU最核心的功能單元包括：

Register （寄存器）

寄存器是CPU內(nèi)部的高速存儲器，像內(nèi)存一樣可以存取數(shù)據(jù)，但比訪問內(nèi)存快得多。
一些寄存器可以用在各種運算和讀寫內(nèi)存的指令中，比如eax寄存器，這稱為通用寄存器（General-purpose Register）。

一些寄存器只能用于某種特定的用途，比如eip用作程序計數(shù)器，這稱為特殊寄存器（Special-purpose Register）。

PC （Program Counter，程序計數(shù)器）

程序計數(shù)器是一種特殊寄存器，保存著CPU取下一條指令的地址，CPU按程序計數(shù)器保存的地址去內(nèi)存中取指令然后解釋執(zhí)行，這時程序計數(shù)器保存的地址會自動加上該指令的長度，指向內(nèi)存中的下一條指令。

Instruction Decoder （指令譯碼器）

CPU取上來的指令由若干個字節(jié)組成，這些字節(jié)中有些位表示內(nèi)存地址，有些位表示寄存器編號，有些位表示這種指令做什么操作，是加減乘除還是讀寫內(nèi)存，指令譯碼器負責(zé)解釋這條指令的含義，然后調(diào)動相應(yīng)的執(zhí)行單元去執(zhí)行它。

ALU （Arithmetic and Logic Unit，算術(shù)邏輯單元）

如果譯碼器將一條指令解釋為運算指令，就調(diào)動算術(shù)邏輯單元去做運算，比如加減乘除、位運算、邏輯運算。指令中會指示運算結(jié)果保存到哪里，可能保存到寄存器中，也可能保存到內(nèi)存中。

Bus （地址和數(shù)據(jù)總線）。

CPU和內(nèi)存之間用地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制線連接起來，每條線上有1和0兩種狀態(tài)。

從CPU訪問內(nèi)存

如果在執(zhí)行指令過程中需要訪問內(nèi)存，比如從內(nèi)存讀一個數(shù)到寄存器，執(zhí)行過程可以想像成這樣：

1.CPU內(nèi)部將寄存器對接到數(shù)據(jù)總線上，使寄存器的每一位對接到一條數(shù)據(jù)線，等待接收數(shù)據(jù)。

2.CPU通過控制線發(fā)一個讀請求，并且將內(nèi)存地址通過地址線發(fā)給內(nèi)存。

3.內(nèi)存收到地址和讀請求之后，將相應(yīng)的內(nèi)存單元對接到數(shù)據(jù)總線的另一端，這樣，內(nèi)存單元每一位的1或0狀態(tài)通過一條數(shù)據(jù)線到達CPU寄存器中相應(yīng)的位，就完成了數(shù)據(jù)傳送。

上圖中畫了32條地址線和32條數(shù)據(jù)線，CPU寄存器也是32位，可以說這種體系結(jié)構(gòu)是32位的，比如x86就是這樣的體系結(jié)構(gòu)，目前主流的處理器是32位或64位的。地址線、數(shù)據(jù)線和CPU寄存器的位數(shù)通常是一致的，從上圖可以看出數(shù)據(jù)線和CPU寄存器的位數(shù)應(yīng)該一致，另外有些寄存器（比如程序計數(shù)器）需要保存一個內(nèi)存地址，因而地址線和CPU寄存器的位數(shù)也應(yīng)該一致。32位計算機有32條地址線，地址空間（Address Space）從0x00000000到0xffffffff，共4GB，而64位計算機有更大的地址空間。

這里的的地址線、數(shù)據(jù)線是指CPU的內(nèi)總線，是直接和CPU的執(zhí)行單元相連的，內(nèi)總線經(jīng)過MMU和總線接口的轉(zhuǎn)換之后引出到芯片引腳才是外總線，外地址線和外數(shù)據(jù)線的位數(shù)都有可能和內(nèi)總線不同，例如32位處理器的外地址總線可尋址的空間可以大于4GB。

CPU從內(nèi)存中取值

1.eip寄存器指向地址0x80483a2，CPU從這里開始取一條5個字節(jié)的指令，然后eip寄存器指向下一條指令的起始地址0x80483a7。

2.CPU對這5個字節(jié)譯碼，得知這條指令要求從地址0x804a01c開始取4個字節(jié)保存到eax寄存器。

3.執(zhí)行指令，讀內(nèi)存，取上來的數(shù)是3，保存到eax寄存器。注意，地址0x804a01c~0x804a01f里存儲的四個字節(jié)不能按地址從低到高的順序看成0x03000000，而要按地址從高到低的順序看成0x00000003。也就是說，對于多字節(jié)的整數(shù)類型，低地址保存的是整數(shù)的低位，這稱為小端（Little Endian）字節(jié)序（Byte Order）。x86平臺是小端字節(jié)序的，而另外一些平臺規(guī)定低地址保存整數(shù)的高位，稱為大端（Big Endian）字節(jié)序。

4.CPU從eip寄存器指向的地址取一條3個字節(jié)的指令，然后eip寄存器指向下一條指令的起始地址0x80483aa。

5.CPU對這3個字節(jié)譯碼，得知這條指令要求把eax寄存器的值加1，結(jié)果仍保存到eax寄存器。
6.執(zhí)行指令，現(xiàn)在eax寄存器中的數(shù)是4。

7.CPU從eip寄存器指向的地址取一條5個字節(jié)的指令，然后eip寄存器指向下一條指令的起始地址0x80483af。

8.CPU對這5個字節(jié)譯碼，得知這條指令要求把eax寄存器的值保存到從地址0x804a018開始的4個字節(jié)。

9.執(zhí)行指令，把4這個值保存到從地址0x804a018開始的4個字節(jié)（按小端字節(jié)序保存）。

設(shè)備

CPU訪問設(shè)備的兩種方式：

Memory-mapped I/O （內(nèi)存映射I/O）

圖中①②訪問這種設(shè)備就像訪問內(nèi)存一樣（略有不同，如下表），按地址讀寫即可。比如ARM。

Port I/O （端口I/O）

圖中③需要用一種專用的in/out指令訪問。比如x86。

第三種方式：設(shè)備總線

由于計算機的設(shè)備五花八門，于是出現(xiàn)了各種適應(yīng)不同要求的設(shè)備總線，設(shè)備總線的控制器也是一種設(shè)備。CPU通過內(nèi)存映射I/O或端口I/O訪問相應(yīng)的總線控制器，通過總線控制器再去訪問掛在總線上的設(shè)備。

比如PCI、AGP、USB、1394、SATA等等，這些設(shè)備是掛在設(shè)備總線上的。

上圖中標(biāo)有“設(shè)備”的框都可能是實際的設(shè)備，也可能是設(shè)備總線的控制器。

Interrupt中斷機制

每個設(shè)備都有一條中斷線，通過中斷控制器連接到CPU，當(dāng)設(shè)備需要主動通知CPU時就引發(fā)一個中斷信號，CPU正在執(zhí)行的指令將被打斷，程序計數(shù)器會指向某個固定的地址（這個地址由體系結(jié)構(gòu)定義），于是CPU從這個地址開始取指令（或者說跳轉(zhuǎn)到這個地址），執(zhí)行中斷服務(wù)程序（ISR，Interrupt Service Routine），完成中斷處理之后再返回先前被打斷的地方執(zhí)行后續(xù)指令。

比如某種體系結(jié)構(gòu)規(guī)定發(fā)生中斷時跳轉(zhuǎn)到地址0x00000010執(zhí)行，那么就要事先把一段ISR程序加載到這個地址，ISR程序是內(nèi)核代碼的一部分，在這段代碼中首先判斷是哪個設(shè)備引發(fā)了中斷，然后調(diào)用該設(shè)備的中斷處理函數(shù)做進一步處理。

設(shè)備寄存器

設(shè)備中可供讀寫訪問的單元通常稱為設(shè)備寄存器（注意和CPU寄存器不是一回事）。
操作設(shè)備的過程就是讀寫這些設(shè)備寄存器的過程，比如向串口發(fā)送寄存器里寫數(shù)據(jù)，串口設(shè)備就會把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，讀串口接收寄存器的值，就可以讀取串口設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)。

硬盤

在x86平臺上，硬盤是掛在IDE、SATA或SCSI總線上的設(shè)備，保存在硬盤上的程序是不能被CPU直接取指令執(zhí)行的，操作系統(tǒng)在執(zhí)行程序時會把它從硬盤拷貝到內(nèi)存，這樣CPU才能取指令執(zhí)行。

操作系統(tǒng)

Operating System（操作系統(tǒng)）本身也是一段保存在磁盤上的程序，計算機在啟動時執(zhí)行一段固定的啟動代碼（稱為Bootloader）首先把操作系統(tǒng)從磁盤加載到內(nèi)存，然后執(zhí)行操作系統(tǒng)中的代碼把用戶需要的其它程序加載到內(nèi)存。

操作系統(tǒng)最核心的功能是管理進程調(diào)度、管理內(nèi)存的分配使用和管理各種設(shè)備，做這些工作的程序稱為Kernel（內(nèi)核），在我的系統(tǒng)上內(nèi)核程序是/boot/vmlinuz-2.6.28-13-generic文件，它在計算機啟動時加載到內(nèi)存并常駐內(nèi)存。

廣義上操作系統(tǒng)的概念還包括一些必不可少的用戶程序，比如Shell是每個Linux系統(tǒng)必不可少的，而Office辦公套件則是可有可無的，所以前者也屬于廣義上操作系統(tǒng)的范疇，而后者屬于應(yīng)用軟件。

設(shè)備驅(qū)動程序

由于各種設(shè)備的操作方法各不相同，每種設(shè)備都需要專門的Device Driver（設(shè)備驅(qū)動程序），一個操作系統(tǒng)為了支持廣泛的設(shè)備就需要有大量的設(shè)備驅(qū)動程序，事實上Linux內(nèi)核源代碼中絕大部分是設(shè)備驅(qū)動程序。設(shè)備驅(qū)動程序通常是內(nèi)核里的一組函數(shù)，通過讀寫設(shè)備寄存器實現(xiàn)對設(shè)備的初始化、讀、寫等操作，有些設(shè)備還要提供一個中斷處理函數(shù)供ISR調(diào)用。

MMU

現(xiàn)代操作系統(tǒng)普遍采用Virtual Memory Management（虛擬內(nèi)存管理）機制，這需要處理器中的MMU（Memory Management Unit，內(nèi)存管理單元）提供支持。

PA物理地址

如果處理器沒有MMU，或者有MMU但沒有啟用，CPU執(zhí)行單元發(fā)出的內(nèi)存地址將直接傳到芯片引腳上，被內(nèi)存芯片（以下稱為物理內(nèi)存，以便與虛擬內(nèi)存區(qū)分）接收，這稱為PA（Physical Address，物理地址）。

VA虛擬地址

如果處理器啟用了MMU，CPU執(zhí)行單元發(fā)出的內(nèi)存地址將被MMU截獲，從CPU到MMU的地址稱為VA（Virtual Address，虛擬地址），而MMU將這個地址翻譯成另一個地址發(fā)到CPU芯片的外部地址引腳上，也就是將VA映射成PA

如果是32位處理器，則內(nèi)地址總線是32位的，與CPU執(zhí)行單元相連（右圖只是示意性地畫了4條地址線），而經(jīng)過MMU轉(zhuǎn)換之后的外地址總線則不一定是32位的。也就是說，虛擬地址空間和物理地址空間是獨立的，32位處理器的虛擬地址空間是4GB，而物理地址空間既可以大于也可以小于4GB。

MMU將VA映射到PA是以Page（頁）為單位的，32位處理器的頁尺寸通常是4KB。例如，MMU可以通過一個映射項將VA的一頁0xb70010000xb7001fff映射到PA的一頁0x20000x2fff，如果CPU執(zhí)行單元要訪問虛擬地址0xb7001008，則實際訪問到的物理地址是0x2008。物理內(nèi)存中的頁稱為Page Frame（物理頁面或者頁幀）。

虛擬內(nèi)存的哪個頁面映射到物理內(nèi)存的哪個頁幀是通過Page Table（頁表）來描述的，頁表保存在物理內(nèi)存中，MMU會查找頁表來確定一個VA應(yīng)該映射到什么PA。

操作系統(tǒng)和MMU是這樣配合的：

1.操作系統(tǒng)在初始化或分配、釋放內(nèi)存時會執(zhí)行一些指令在物理內(nèi)存中填寫頁表，然后用指令設(shè)置MMU，告訴MMU頁表在物理內(nèi)存中的什么位置。

2.設(shè)置好之后，CPU每次執(zhí)行訪問內(nèi)存的指令都會自動引發(fā)MMU做查表和地址轉(zhuǎn)換操作，地址轉(zhuǎn)換操作由硬件自動完成，不需要用指令控制MMU去做。

我們在程序中使用的變量和函數(shù)都有各自的地址，程序被編譯后，這些地址就成了指令中的地址，指令中的地址被CPU解釋執(zhí)行，就成了CPU執(zhí)行單元發(fā)出的內(nèi)存地址，所以在啟用MMU的情況下，程序中使用的地址都是虛擬地址，都會引發(fā)MMU做查表和地址轉(zhuǎn)換操作。

MMU除了做地址轉(zhuǎn)換之外，還提供內(nèi)存保護機制。 各種體系結(jié)構(gòu)都有User Mode（用戶模式）和Privileged Mode（特權(quán)模式）之分，操作系統(tǒng)可以在頁表中設(shè)置每個內(nèi)存頁面的訪問權(quán)限，有些頁面不允許訪問，有些頁面只有在CPU處于特權(quán)模式時才允許訪問，有些頁面在用戶模式和特權(quán)模式都可以訪問，訪問權(quán)限又分為可讀、可寫和可執(zhí)行三種。這樣設(shè)定好之后，當(dāng)CPU要訪問一個VA時，MMU會檢查CPU當(dāng)前處于用戶模式還是特權(quán)模式，訪問內(nèi)存的目的是讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)還是取指令，如果和操作系統(tǒng)設(shè)定的頁面權(quán)限相符，就允許訪問，把它轉(zhuǎn)換成PA，否則不允許訪問，產(chǎn)生一個Exception（異常）。

異常的處理過程和中斷類似，不同的是中斷由外部設(shè)備產(chǎn)生而異常由CPU內(nèi)部產(chǎn)生，中斷產(chǎn)生的原因和CPU當(dāng)前執(zhí)行的指令無關(guān)，而異常的產(chǎn)生就是由于CPU當(dāng)前執(zhí)行的指令出了問題，例如訪問內(nèi)存的指令被MMU檢查出權(quán)限錯誤，除法指令的除數(shù)為0等都會產(chǎn)生異常。

通常操作系統(tǒng)把虛擬地址空間劃分為用戶空間和內(nèi)核空間，例如x86平臺的Linux系統(tǒng)虛擬地址空間是0x000000000xffffffff，前3GB（0x000000000xbfffffff）是用戶空間，后1GB（0xc0000000~0xffffffff）是內(nèi)核空間。用戶程序加載到用戶空間，在用戶模式下執(zhí)行，不能訪問內(nèi)核中的數(shù)據(jù)，也不能跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核代碼中執(zhí)行。這樣可以保護內(nèi)核，如果一個進程訪問了非法地址，頂多這一個進程崩潰，而不會影響到內(nèi)核和整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。CPU在產(chǎn)生中斷或異常時不僅會跳轉(zhuǎn)到中斷或異常服務(wù)程序，還會自動切換模式，從用戶模式切換到特權(quán)模式，因此從中斷或異常服務(wù)程序可以跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核代碼中執(zhí)行。事實上，整個內(nèi)核就是由各種中斷和異常處理程序組成的?？偨Y(jié)一下：在正常情況下處理器在用戶模式執(zhí)行用戶程序，在中斷或異常情況下處理器切換到特權(quán)模式執(zhí)行內(nèi)核程序，處理完中斷或異常之后再返回用戶模式繼續(xù)執(zhí)行用戶程序。

Segmentation fault （段錯誤）的產(chǎn)生過程：

1.用戶程序要訪問的一個VA，經(jīng)MMU檢查無權(quán)訪問。

2.MMU產(chǎn)生一個異常，CPU從用戶模式切換到特權(quán)模式，跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核代碼中執(zhí)行異常服務(wù)程序。

3.內(nèi)核把這個異常解釋為段錯誤，把引發(fā)異常的進程終止掉。

存儲器

Memory Hierarchy