x86作为一个开放的平台,让所有的硬件厂商进行适配,那么其内部基本实现就是本章的讲解重点

计算机的整体工作模式和硬件息息相关

整体上工作逻辑图如下

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CPU是所有工作的开端,是整个计算机的大脑,所有的设备都围绕展开

CPU和其他的设备相连接,就需要一种叫做总线的东西,就是主板上的集成电路

其中和内存的联系是最为密切的,因为CPU擅长于计算,但是计算任务中往往存在中间结果,而CPU自身没法保存这些中间结果,就需要依赖于内存

内存相当于办公室,需要每个程序自身去申请注册

还有其他的总线和总线上的其他的设备,常见的 显卡 – 显示器, USB – 键盘 鼠标

这里我们主要介绍了解的是CPU和内存的配合工作

CPU也不是单纯的一块,包含了三个部分,运算单元 数据单元 控制单元

运算单元,负责加减法 位移运算,但不关心数据的存放

数据单元,内部有自己的缓存和寄存器组,空间小,但是速度快,存放数据和计算结果

控制单元,统一的控制中心,获取下一个指令然后执行这个指令

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整体的结构图如上

每个项目都有一个项目执行计划书,里面是一行行的项目执行指令,都是放在档案库里的,每个进程都是将自己的程序放在硬盘

运行的时候,读入内存,在自己的内存空间中,彼此隔离,形成代码段和数据段

CPU利用这两个段进行相关的计算

CPU中如何执行这些程序,操作这些数据,产生结果呢?

里面利用指令指针寄存器,里面存放的是下一条指令在内存的地址,不断的将代码段的指令拿进来,放入指令寄存器

执行指令,将指令中负责运算的操作交给运算单元,操作数据的交给数据单元

数据单元根据数据地址,从数据段中读到数据寄存器,参与运算,运算根据数据算完,获取结果存到数据单元的数据寄存器中,最后写回内存

最后,CPU还涉及到了进程切换,就是从进程A的运算切换到进程B,执行B的指令,接下来会有一章说道

CPU和内存的数据传输,靠的是总线,总线上有两个数据,一是地址数据,地址数据哪个内存位置的数据,这就是地址总线

还有就是数据总线,根据地址总线拿到真正的数据

那么地址总线的位数,决定了访问的地址范围有多广,只有两位,那么CPU只能认识 00 01 10 11四个位置,位数越多,管理的内存范围越大

数据总线的位数,决定了一次性能拿多少数据,比如2位,那么CPU想要拿八位的数据,需要拿四次

那么CPU中这类总线有没有一个标准呢?

没有标准,就没有通用的运算逻辑,于是x86出现了,将整体做了一个开放,统一,兼容的方式

IBM一开始呢,对于PC的架构规定为 英特尔的8086系列作为CPU,故称为x86架构

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我们利用8086来说x86相关特性

CPU的组件和特性基本如下

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从上图不好看具体的结构

但里面存在数据单元,8086处理器内部有8个16位的通用寄存器,CPU内部的数据单元,分别是AX BX CX DX SP BP SI DI负责暂存数据

寄存器中AX BX CX DX可以拆成两个8位寄存器来使用,分别是AH AL BH BL CH CL DH DL

H是高位 L是低位

控制单元中存在IP寄存器中,也就是指令指针寄存器

指向下一条指令的位置,利用其从内存中读取代码,加载到CPU指令对立中

如果切换进程,每个进程都有自己的代码和数据段,指向不同的地址空间,也就是四个段寄存器

CS是代码段寄存器 DS是数据段寄存器

SS负责栈寄存器,负责先入先出

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基本的栈操作就不说了

设计程序执行,都和栈息息相关

那么运算过程中,如果需要加载内存的数据,需要找到对应的内存数据

我们找到内存中具体的位置,称为偏移量

CS和DS中都存放一个段的其实位置,代码偏移量放在了IP寄存器中,数据偏移量放在了通用寄存器中

但是8086的总线地址为20位,如何凑齐20位呢?就是起始地址 *16 + 偏移量

而且,无论内存多大,20位总线的8086处理器来说,只能区分 2^20次方

也就是1M,而一个段的最大就是16的,就是64k的

后来伴随着科技的发展

32位处理器中总线越来越宽, 32位处理器中,可以访问 2^32=4G的内存,原来模式需要改进

如何改进呢?

我们改进通用寄存器,将8个16位的扩展到8个32位的,保留16位和8位的使用方式

将IP寄存器,扩展为32位的,同时兼容16位的

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改动较大的,就是段寄存器

原来的模式不伦不类,因为没有把16位当成一个段的起始地址,而是20位的地址

所以我们改了一段,我们将CS SS中不存其实地址,存一个表格,表格一项就是段描述符,这里面是段的真正其实地址,保存着选择子,也就是表格中的哪一项

直接从段寄存器拿到段起始地址,改为了间接的从段寄存器中找到表格中的项,然后拿到对应的起始地址

但是这种模式和早期模式不兼容

于是我们做了一个切换设置,前一种16位模式称为实模式,后一种32位称为保护模式

系统刚刚启动的时候,CPU处于实模式,和原来模式兼容

后来需要更多的内存的时候,切换为保护模式,用到32位CPU更强大的能力

最后说一下常见的汇编命令

move a b b赋值给a

call ret call调用子程序

jmp 跳转

int 中断

add a b 相加

or 或运算

xor 异或运算

shl 算术左移

ahr 算术右移

push xxx 压入栈

pop xxx 出栈

inc 加一

dec 坚毅

sub a b a = a-b

cmp 减法比较

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