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06 | x86架构：有了开放的架构，才能打造开放的营商环境
做生意的人最喜欢开放的营商环境，也就是说，我的这家公司，只要符合国家的法律，到哪里做生意，都能受到公平的对待，这样就不用为了适配各个地方的规则煞费苦心，只要集中精力优化自己的服务就可以了。
作为Linux操作系统，何尝不是这样。如果下面的硬件环境千差万别，就会很难集中精力做出让用户易用的产品。毕竟天天适配不同的平台，就已经够头大了。x86架构就是这样一个开放的平台。今天我们就来解析一下它。
计算机的工作模式是什么样的？
还记得咱们攒电脑时买的那堆硬件吗？虽然你可以根据经验，把那些复杂的设备和连接线安装起来，但是你真的了解它们为什么要这么连接吗？
现在我就把硬件图和计算机的逻辑图对应起来，带你看看计算机的工作模式。
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。
对于公司来说，CPU是真正干活的，将来执行项目都要靠它。
CPU就相当于咱们公司的程序员，我们常说，二十一世纪最缺的是什么？是人才！所以，大量水平高、干活快的程序员，才是营商环境中最重要的部分。
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。
内存就相当于办公室，我们要看看方不方便租到办公室，有没有什么创新科技园之类的。有了共享的、便宜的办公位，公司就有注册地了。
当然总线上还有一些其他设备，例如显卡会连接显示器、磁盘控制器会连接硬盘、USB控制器会连接键盘和鼠标等等。
CPU和内存是完成计算任务的核心组件，所以这里我们重点介绍一下CPU和内存是如何配合工作的。
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。
每个项目都有一个项目执行计划书，里面是一行行项目执行的指令，这些都是放在档案库里面的。每个进程都有一个程序放在硬盘上，是二进制的，再里面就是一行行的指令，会操作一些数据。
进程一旦运行，比如图中两个进程A和B，会有独立的内存空间，互相隔离，程序会分别加载到进程A和进程B的内存空间里面，形成各自的代码段。当然真实情况肯定比我说的要复杂的多，进程的内存虽然隔离但不连续，除了简单的区分代码段和数据段，还会分得更细。
程序运行的过程中要操作的数据和产生的计算结果，都会放在数据段里面。那CPU怎么执行这些程序，操作这些数据，产生一些结果，并写入回内存呢？
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。
你可能会问，上面算来算去执行的都是进程A里的指令，那进程B呢？CPU里有两个寄存器，专门保存当前处理进程的代码段的起始地址，以及数据段的起始地址。这里面写的都是进程A，那当前执行的就是进程A的指令，等切换成进程B，就会执行B的指令了，这个过程叫作进程切换（Process Switch）。这是一个多任务系统的必备操作，我们后面有专门的章节讲这个内容，这里你先有个印象。
到这里，你会发现，CPU和内存来来回回传数据，靠的都是总线。其实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）。
所以说，总线其实有点像连接CPU和内存这两个设备的高速公路，说总线到底是多少位，就类似说高速公路有几个车道。但是这两种总线的位数意义是不同的。
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。
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。
x86成为开放平台历史中的重要一笔
那CPU中总线的位数有没有个标准呢？如果没有标准，那操作系统作为软件就很难办了，因为软件层没办法实现通用的运算逻辑。这就像很多非标准的元器件一样，你烧你的电路板，我烧我的电路板，谁都不能用彼此的。
早期的IBM凭借大型机技术成为计算机市场的领头羊，直到后来个人计算机兴起，苹果公司诞生。但是，那个时候，无论是大型机还是个人计算机，每家的CPU架构都不一样。如果一直是这样，个人电脑、平板电脑、手机等等，都没办法形成统一的体系，就不会有我们现在通用的计算机了，更别提什么云计算、大数据这些统一的大平台了。
好在历史将x86平台推到了开放、统一、兼容的位置。我们继续来看IBM和x86的故事。
IBM开始做IBM PC时，一开始并没有让最牛的华生实验室去研发，而是交给另一个团队。一年时间，软硬件全部自研根本不可能完成，于是他们采用了英特尔的8088芯片作为CPU，使用微软的MS-DOS做操作系统。
谁能想到IBM PC卖得超级好，好到因为垄断市场而被起诉。IBM就在被逼的情况下公开了一些技术，使得后来无数IBM-PC兼容机公司的出现，也就有了后来占据市场的惠普、康柏、戴尔等等。
能够开放自己的技术是一件了不起的事。从技术和发展的层面来讲，它会使得一项技术大面积铺开，形成行业标准。就比如现在常用的Android手机，如果没有开放的Android系统，我们也没办法享受到这么多不同类型的手机。
对于当年的PC机来说，其实也是这样。英特尔的技术因此成为了行业的开放事实标准。由于这个系列开端于8086，因此称为x86架构。
后来英特尔的CPU数据总线和地址总线越来越宽，处理能力越来越强。但是一直不能忘记三点，一是标准，二是开放，三是兼容。因为要想如此大的一个软硬件生态都基于这个架构，符合它的标准，如果是封闭或者不兼容的，那谁都不答应。
从8086的原理说起
说完了x86的历史，我们再来看x86中最经典的一款处理器，8086处理器。虽然它已经很老了，但是咱们现在操作系统中的很多特性都和它有关，并且一直保持兼容。
我们把CPU里面的组件放大之后来看。你可以看我画的这幅图。
我们先来看数据单元。
为了暂存数据，8086处理器内部有8个16位的通用寄存器，也就是刚才说的CPU内部的数据单元，分别是AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。这些寄存器主要用于在计算过程中暂存数据。
这些寄存器比较灵活，其中AX、BX、CX、DX可以分成两个8位的寄存器来使用，分别是AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL，其中H就是High（高位），L就是Low（低位）的意思。
这样，比较长的数据也能暂存，比较短的数据也能暂存。你可能会说16位并不长啊，你可别忘了，那是在计算机刚刚起步的时代。
接着我们来看控制单元。
IP寄存器就是指令指针寄存器（Instruction Pointer Register)，指向代码段中下一条指令的位置。CPU会根据它来不断地将指令从内存的代码段中，加载到CPU的指令队列中，然后交给运算单元去执行。
如果需要切换进程呢？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。
其中，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。
凡是与函数调用相关的操作，都与栈紧密相关。例如，A调用B，B调用C。当A调用B的时候，要执行B函数的逻辑，因而A运行的相关信息就会被push到栈里面。当B调用C的时候，同样，B运行相关信息会被push到栈里面，然后才运行C函数的逻辑。当C运行完毕的时候，先pop出来的是B，B就接着调用C之后的指令运行下去。B运行完了，再pop出来的就是A，A接着运行，直到结束。
如果运算中需要加载内存中的数据，需要通过DS找到内存中的数据，加载到通用寄存器中，应该如何加载呢？对于一个段，有一个起始的地址，而段内的具体位置，我们称为偏移量（Offset）。例如8号会议室的第三排，8号会议室就是起始地址，第三排就是偏移量。
在CS和DS中都存放着一个段的起始地址。代码段的偏移量在IP寄存器中，数据段的偏移量会放在通用寄存器中。
这时候问题来了，CS和DS都是16位的，也就是说，起始地址都是16位的，IP寄存器和通用寄存器都是16位的，偏移量也是16位的，但是8086的地址总线地址是20位。怎么凑够这20位呢？方法就是“起始地址*16+偏移量”，也就是把CS和DS中的值左移4位，变成20位的，加上16位的偏移量，这样就可以得到最终20位的数据地址。
从这个计算方式可以算出，无论真正的内存多么大，对于只有20位地址总线的8086来讲，能够区分出的地址也就2^20=1M，超过这个空间就访问不到了。这又是为啥呢？如果你想访问1M+X的地方，这个位置已经超过20位了，由于地址总线只有20位，在总线上超过20位的部分根本是发不出去的，所以发出去的还是X，最后还是会访问1M内的X的位置。
那一个段最大能有多大呢？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。
是不是好可怜？对于8086CPU，最多只能访问1M的内存空间，还要分成多个段，每个段最多64K。尽管我们现在看来这不可想象得小，根本没法儿用，但是在当时其实够用了。
再来说32位处理器
当然，后来计算机的发展日新月异，内存越来越大，总线也越来越宽。在32位处理器中，有32根地址总线，可以访问2^32=4G的内存。使用原来的模式肯定不行了，但是又不能完全抛弃原来的模式，因为这个架构是开放的。
“开放”，意味着有大量其他公司的软硬件是基于这个架构来实现的，不能为所欲为，想怎么改怎么改，一定要和原来的架构兼容，而且要一直兼容，这样大家才愿意跟着你这个开放平台一直玩下去。如果你朝令夕改，那其他厂商就惨了。
如果是不开放的架构，那就没有问题。硬件、操作系统，甚至上面的软件都是自己搞的，你想怎么改就可以怎么改。
我们下面来说说，在开放架构的基础上，如何保持兼容呢？
首先，通用寄存器有扩展，可以将8个16位的扩展到8个32位的，但是依然可以保留16位的和8位的使用方式。你可能会问，为什么高16位不分成两个8位使用呢？因为这样就不兼容了呀！
其中，指向下一条指令的指令指针寄存器IP，就会扩展成32位的，同样也兼容16位的。
而改动比较大，有点不兼容的就是段寄存器（Segment Register）。
因为原来的模式其实有点不伦不类，因为它没有把16位当成一个段的起始地址，也没有按8位或者16位扩展的形式，而是根据当时的硬件，弄了一个不上不下的20位的地址。这样每次都要左移四位，也就意味着段的起始地址不能是任何一个地方，只是能整除16的地方。
如果新的段寄存器都改成32位的，明明4G的内存全部都能访问到，还左移不左移四位呢？
那我们索性就重新定义一把吧。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的某个地方。这个地方是一个表格，表格中的一项一项是段描述符（Segment Descriptor）。这里面才是真正的段的起始地址。而段寄存器里面保存的是在这个表格中的哪一项，称为选择子（Selector）。
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。
这样段起始地址就会很灵活了。当然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。
这样就不兼容了，咋办呢？好在后面这种模式灵活度非常高，可以保持将来一直兼容下去。前面的模式出现的时候，没想到自己能够成为一个标准，所以设计就没这么灵活。
因而到了32位的系统架构下，我们将前一种模式称为实模式（Real Pattern），后一种模式称为保护模式（Protected Pattern）。
当系统刚刚启动的时候，CPU是处于实模式的，这个时候和原来的模式是兼容的。也就是说，哪怕你买了32位的CPU，也支持在原来的模式下运行，只不过快了一点而已。
当需要更多内存的时候，你可以遵循一定的规则，进行一系列的操作，然后切换到保护模式，就能够用到32位CPU更强大的能力。
这也就是说，不能无缝兼容，但是通过切换模式兼容，也是可以接受的。
在接下来的几节，我们就来看一下，CPU如何从启动开始，逐渐从实模式变为保护模式的。
总结时刻
这一节，我们讲了x86架构。在以后的操作系统讲解中，我们也是主要基于x86架构进行讲解，只有了解了底层硬件的基本工作原理，将来才能理解操作系统的工作模式。
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，我画了个图。在这个图中，建议你重点牢记这些寄存器的作用，以及段的工作模式，后面我们马上就能够用到了。
课堂练习
操作这些底层的寄存器往往需要使用汇编语言，操作系统的一些底层的模块也是用汇编语言写的，因而你需要简单回顾一些汇编语言中的一些简单的命令的作用。所以，今天给你留个练习题，简单了解一下这些命令。
mov, call, jmp, int, ret, add, or, xor, shl, shr, push, pop, inc, dec, sub, cmp。
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