CPU瞞着內存竟幹出這種事

時間 2020-05-18

標籤 cpu 瞞着內存這種简体版

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還記得我嗎，我是阿Q，CPU一號車間的那個阿Q。編程

今天忙裏偷閒，來到廠裏地址翻譯部門轉轉，負責這項工做的小黑正忙得滿頭大汗。瀏覽器

看到個人到來，小黑指着旁邊的座椅示意讓我坐下。編程語言

坐了好一下子，小黑才從工位上忙完轉過身來，「實在很差意思阿Q，今天活太多，沒來得及招待你」源碼分析

「剛忙什麼呢，看你滿頭大汗的」，我問道。性能

「嗨，別提了，總是發現內存頁面錯誤，不停地要通知操做系統那邊去處理，真是懷念之前啊，沒有這麼多破事兒要管」，小黑嘆了口氣。操作系統

我一聽來了興趣，「小黑你給我說說大家的工做唄，地址翻譯是怎麼一回事兒，爲何懷念之前呢？」線程

小黑調整了下坐姿，咕嚕咕嚕喝了幾口水說道，「這話說來可就話長了」翻譯

接下來小黑開始給我講起了歷史故事······3d

8086

原來我們的祖先叫8086，小黑還給我看了他的照片code

那是一個純真質樸的年代，雖然工做性能不高，不過那個年代的程序都很簡單，咱們的祖先一問世就成爲了明星，稱得上那個時代的頂流了。

看到照片中的那些金屬針腳了嗎？那是咱們CPU和外界打交道的觸角，每一根都有不一樣的做用。

經過這些觸角，CPU就能夠跟內存打交道，獲取指令和數據，辛勤的幹活啦。

那個年代，條件比較差，能湊合的就湊合，能共用的就共用。這不，你看祖先CPU的地址總線針腳和數據總線針腳就共用了。

祖先是一個16位的CPU，數據(Data)總線就有16位，一次性能夠傳輸16個比特位。和地址(Address)總線湊合着一塊兒共用，因而就取名AD0-AD15。

不過祖先的地址總線卻不止16個，還多出了A16-A19整整4個呢！這樣有20個地址線，能夠尋址1MB的內存了！

可是祖先的寄存器都是16位的啊，只能存放16位的地址。不過他們很聰明，發明了一個叫分段式存儲管理的方法，把內存劃分爲最大64KB的小塊，爲何是64KB呢，由於16位地址最多隻能尋址這麼大了。而後又加了幾個叫作段寄存器的東西，指向這些塊的開頭，這樣，經過段地址+段內偏移地址的方式，就能訪問更多的內存了。

32位時代

後來啊，祖先的那點計算能力愈來愈捉襟見肘，實在是跟不上時代了。家族中的年輕一代開始挑大樑，80286和80386CPU相繼問世，尤爲是80386，成爲了劃時代的存在。

到了80386時代，咱們與外界通訊的引腳就更多了，而且變成了32位的CPU，那個時候，生活條件就變好了，地址線和數據線不再用共享引腳了。

後來，人類變得愈來愈貪心，想要一邊聽音樂，一邊還要上網，同時還要編輯文檔，這就同時須要運行多個程序。

這個時候，有人發現了商機，開發了一個叫操做系統的東西，原來那些程序再也不直接和咱們CPU打交道了，而是和操做系統打交道，操做系統再和咱們打交道，中間商賺差價說的就是他們！

操做系統這玩意兒很聰明啊，經過時間片劃分讓咱們CPU來輪流執行多個程序，一下子讓咱們執行音樂播放，一下子讓咱們執行瀏覽器程序，一下子又讓咱們執行文檔編輯程序。咱們是無所謂啊，給什麼代碼不是代碼啊，咱們不挑，埋頭苦幹就是了。人類的反應速度跟咱們就差得遠了，他們還覺得這些程序真的是同時執行的呢。

虛擬內存

不過隨之而來出現了一個大問題，這麼多程序都要運行，你們擠在一個內存裏，常常發生摩擦，衝突不斷。

先祖們爲了此事殫精竭慮，終於想出了一個好辦法，一直沿用至今。

他們提出了一個虛擬地址的東西，全部程序使用的地址都是一個虛擬的地址，在真正和內存打交道的時候，我們CPU內部工做人員再給翻譯成真實的內存地址，關於這事兒，內存那傢伙一直被咱們矇在鼓裏。

這樣一來，每一個程序均可以用的是0x00000000到0xffffffff總共4GB這麼大範圍的地址空間，固然不會真的給他們那麼多空間，內存那傢伙總共才4GB呢，而是要按需申請分配。分配的單元是按照頁來進行的，32位的CPU一個頁是4KB。這些分配管理的累活就讓操做系統來幹了，中間商不能光拿好處不幹正事，至於咱們CPU，作好地址翻譯的工做就行了。

爲此，在咱們寄存器內部專門添置了一個新的寄存器CR3，用來指向一個地址翻譯查詢字典，字典劃分了兩級目錄。咱們把一個32位的地址劃分了3部分，前面兩部分分別指向兩級目錄中的條目，用來定位這個地址在物理內存的哪一個頁面，最後一部分就是指向物理內存頁面的偏移，這樣就完成了地址的翻譯工做。

每一個進程有不一樣的地址空間，切換進程的時候，把CR3的內容換一下就使用新進程的翻譯字典，特別的方便。

咱們把這種內存管理方式叫作分頁式內存管理。

真佩服先祖們的智慧，這樣巧妙的把各個程序隔離開來，後來咱們把這種工做模式叫作保護模式，把以前那種直接使用真實內存地址的工做模式叫作實地址模式。