- CPU(Central Processing Unit)。
计算机的工作模式
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CPU是计算机最核心的硬件，它做了计算，它需要和其他硬件配合起来工作。
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图中能看到CPU与其他硬件是通过总线(Bus)连接起来的。它们之间的数据传递依靠的都是总线。
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其他硬件中最重要的就是内存(Memory)。内存是用来存储指令和被指令操作的数据的。
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指令分为两部分：
- 具体的操作，比如加法、减法等。
- 需要参与操作的数据。
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CPU和内存是如何配合的
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首先看CPU的组成，它分为三个部分：
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运算单元
- 只管指令的运算部分，如加减法，位移等运算。但是它并不知道要运算哪些数据，也不知道计算的结果需要存在哪里。
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数据单元
- 在描述内存的基本作用时，讲到数据存储在内存中，但是如果运算单元每次计算时都需要通过总线从内存中读取数据，那么整体的处理速度就太慢。因为内存处理速度比起CPU慢很多，而CPU又不得不等它。如果能将一部分需要经常访问的数据，可以直接存储在CPU就好了。这是数据单元，它虽然空间不大，但是速度飞快。数据单元包括CPU的缓存和寄存器组。
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控制单元
- 控制单元是一个指挥中心，它可以不断获取下一条要执行的指令，然后执行。这条指令会指导运算单元从数据单元取出数据，计算结果，然后存到数据单元中。
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而数据单元的存储空间非常有限，没办法保存太多的运算过程中产生的中间结果，内存来存储这些中间结果的。
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配合图示：
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编写的程序是放在硬盘上的，但程序执行时，躺着的代码就变成了活着的进程。在内存中就会有对应的空间。
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图中有A，B两个进程。在内存中就有两个独立的内存空间，各自加载了自己的程序。进程的内存空间可以简单的理解成分为代码段和数据段两个部分。
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每一个进程的内存空间是相互隔离的，但是并不一定是连续的，有点链表的意思。
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控制单元听上去是最神奇的，它是如何知道当前需要执行哪一条指令的呢？
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它有一个指令指针寄存器，里面存放着下一条需要执行的指令的地址（在当前的进程的内存空间中）。
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控制单元会不断地从指令指针寄存器中拿到指令在内存的地址，并读到指令，然后写入它的指令寄存器。
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当指令寄存器中有指令时，控制单元就会把指令的计算部分交给运算单元，数据部分交给数据单元。
- 数据单元会根据数据的地址，从内存空间中的数据段读数据保存在数据寄存器中。
- 完成运算后的结果会先存在数据寄存器中。最终会有指令将这些数据又写回内存空间中。
- 所以图中关于数据的箭头是双向的。
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整个控制单元的工作流程，只要保证指令指针寄存器中会有值更新，那么进程就能一步步运行下去。指令指针寄存器的值是如何更新的，之后的文章会讨论到。
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当一个CPU同一时间段要同时处理多个进程时，是如何切换进程的呢？
- CPU有两个寄存器，一个存着当前处理进程的代码段起始位置（指令起始地址寄存器），另一个存储当前处理进程的数据段起始位置（数据起始地址寄存器）。
- 当从A进程切换到B进程的时候，就是替换这两个寄存器的值。
- 当然进程切换还有会非常多的复杂操作，之后再详细分析。
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图中内存部分和CPU部分之间的实线箭头就是总线。CPU和内存之间的数据传输就是靠的总线。
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传输数据的叫数据总线。
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传输地址的叫地址总线。
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总线的位数就决定了传输的能力。
- 比如地址总线只有2位。那CPU就只能读到内存中的4个位置：00,01,10,11。
- 比如数据总线只有2位，那一次传输就只能2位。如果需要传输一个8位的数，就需要4次。数据总线的位数决定了传输速度。
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X86
- X86是硬件平台，该平台是开放、统一、兼容的。
- 操作系统是使用硬件的。如果硬件平台不兼容，那操作系统就很难统一起来。
- 这个系列开端于8086处理器，因此称为x86架构。
- 8086处理器，数据总线宽16，地址总线宽20，所以寻址空间是 2^20 = 1M
8086
数据单元
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对应图中浅橙黄色部分。
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为了暂存数据，设置了8个16位的通用寄存器，主要用来在计算过程中暂存数据
- AX，BX，CX，DX，SP，BP，SI，DI
- 其中AX，BX，CX，DX分为两个8位的寄存器来使用： AH，AL，BH，BL，CH，CL，DH，DL
控制单元
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对应图中绿色部分
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IP寄存器：指令指针寄存器（Instruction Pointer Register）
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CPU会不断的从IP寄存器中读取指令地址
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并将指令从内存的段中加载到CPU的指令队列中
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然后交给运算单元去执行指令
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标记个问题以后再写
- 谁往IP寄存器里面写东西？
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CS、DS、SS、ES四个16位的段寄存器，是用来做进程切换的。
- CS，代码段寄存器（Code Segment Register）
- DS，数据段寄存器（Data Segment Register）
- SS，栈寄存器（Stack Register）
- ES，附加段寄存器（Extra Segment）
如何在内存中找指令和数据
CS、DS有什么用，要先了解从内存中找指令和数据的机制
- CS和DS存的是目前正在执行进程段（分别对应代码段和数据段）的起始地址
- 代码段的偏移量存在IP寄存器
- 数据段的偏移量存在通用寄存器
- 代码和数据的真实地址 = 起始地址 + 偏移量
存在一个问题
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8086处理器，地址总线宽20。CS、DS是16位的，IP寄存器和通用寄存器也是16位的
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那怎么通过20位宽的地址总线传递16位的地址？
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起始地址 * 16 + 偏移量
- *16的意思就是左移4位，相当于在原有地址后面加了4个0
- 这样虽然内存有1M，但是能作为起始地址的只能是结尾为4个0的地方，也就是能被16整除的地址位
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由于偏移量只能是16位的（IP寄存器是16位的），所以一个段的大小只能是2^16 = 64k
所以切换进程就是切换了CS和DS中的起始地址
函数调用
凡是与函数调用相关的操作，都与栈紧密相关。SS就是一个栈寄存器。
- A函数先执行完语句1，就开始调用B函数了，为了将来执行完B之后，还能记得当前执行到了A函数的哪一行，所以要将A的基本信息入栈。然后开始执行B函数的语句3，执行完后，调用了C，同理也需要将B的基本信息入栈。执行语句5之后，从SS中弹出了B的基本信息，就能找到当年B调用C之前执行到了哪一行代码，然后继续往后语句4。之后同理弹出A的基本信息，找到语句2的位置。执行完毕。
32位处理器
32位处理器，地址总线变成了32位，这样能访问到的内存就是2^32 = 4G。如果继续使用8086的寄存器机制，就浪费内存了。
数据单元
- 数据单元的寄存器，由原来的16位变成了32位。这是完全兼容了8086的那种处理方式。
控制单元
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IP寄存器扩展成了32位
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变化最大的就是原有的段寄存器
- 8086的地址总线是20位的，所以用原本的起始位置 * 16来表示起始位置
- 那这样子，内存中的起始位置只能是能整除16的地方
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这里重新定义了段寄存器
- CS、DS、SS、ES仍然是16位，但是这里不再存储真正的段起始地址
- 真正的段起始地址，存在内存中的某一个地方，这地方是一个表格，表格中的一项一项是段描述符（Segment Descriptor），这里面才是真正的起始地址。
- 段寄存器里面保存的哪一项，称为选择子（Selector）。
- 这样拿段起始地址的过程就变成了，先从段寄存器中找到表格中的一项（选择子），然后再从表格中的一项拿到真正的段起始地址（段描述符）。
- 为了更快的拿到段起始地址，段寄存器会从内存中的段描述符，拿到CPU的高速缓存器中。
数据单元兼容了8086，但是控制单元中的IP寄存器兼容，但段寄存器没有兼容，于是有了实模式和保护模式
实模式与保护模式
- 段寄存器中直接保存真实起始地址的模式叫实模式
- 段寄存器中保存段描述符的模式叫保护模式
- 可以通过切换模式来兼容
总结
- 最后放一张升级版的CPU是怎么和内存配合的示意图。
