操作系统其实很大一部分面向 CPU 来编程的。一些 OS 的概念直接来源于 CPU 的术语，或者和 CPU 关联性非常大。要想彻底理解 OS ，无法绕过 CPU。因为 Intel 的 X86(Intel 80386 之后的一系列 CPU 称之为 X86 架构) 是业界的标准。掌握这个架构对于理解 OS 是非常必要的。因为 X86 系列的 CPU 向后兼容，所以本文使用 Intel 8086(16 bit) 和 Intel 80386(32 bit) 来试图理解 X86 架构。

Intel 8086

16 bit processor

16-bit is a computer hardware device or software program capable of transferring 16 bits of data at a time. 一次传输 16 bits 的数据 For example, early computer processors (e.g., 8088 and 80286) were 16-bit processors, meaning they were capable of working with 16-bit binary numbers (decimal number up to 65,535). Anything larger and the computer would need to break the number into smaller pieces.

1M 的寻址空间带来的问题与解决方法

Intel 8086 地址引脚

intel8086_address #(Intel 8086 寻址空间)

上图的 AD0 ~ AD15 是复用(Multiplex)引脚 A16 ~ A19 也是复用引脚

  • ALE(Address Latch Enable) = 1 是作为地址线 A0~A15(寻址) 再加上A16 ~ A19.
  • ALE(Address Latch Enable) = 0 是作为数据线 D0~D15(传输 16 bit 数据)

物理地址生成

20 bit 来表示一个内存地址. 但是 Intel 8086 是一个 16 bit 的处理器(其实就是一次只能传输 16 bit 的数据). 怎样来表示 20 bit 的内存地址呢? 比如一个内存地址是: 0x18AC9, 该怎样表示呢? 其实道理很简单, 既然没法一次传输 20 bit, 那就分两次好了. 最后用两个 16 bit 的数据来合成 0x18AC9 这个地址. 很显然要有生成 0x18AC9 这个地址的策略. 在 Intel 8086 中, 将 0x18AC9 拆分为 0x1234(segment address) 和 0x6789(offset address) 这两个 16 bit 的地址, 这就是所谓的逻辑地址(logical address). 怎样生成 0x18AC9 这个真实的物理地址呢? 也很简单使用一个 20 bit 的 adder(加法器). 0x18AC9 = 0x1234 * 16 + 0x6789

intel8086_real_address_mode_translation

Real Address Mode

物理地址由两部分组成: segment address 和 offset address. 这两个地址不能直接使用, 是用来合成真正的物理地址的. 这两个地址称之为 逻辑地址. 16 * segment address + offset address 合成的地址称之为 物理地址, 也叫 线性地址(也就是从 0 ~ 2^20 -1 地址空间). Intel 8086 这种得到物理地址的机制就叫做 real address mode. 也就是所谓的 实模式. PS: 多说一句, 实模式 这个翻译有点坑, 翻译成 实地址模式 不就十分清楚了吗?

segmented memory

physical address = 16 * segment address + offset address offset address 是 16 bit, 决定了一个 segment 的范围是 64K. 将 1M 的寻址空间以 64K 为一个 segment 划分为多个 segment. 反过来说就是一个 segment 可以选择一个 64K 范围内的地址. 是的, segment 可以当作是一种 selector, 就像 CSS 里面的选择器. 那么这个 segment 存放在哪里呢? 放在专门的 segment register 里.

segment registers

Intel 8086 提供了 Extra Segment(ES), Data Segment(DS), Stack Segment(SS), Code Segment(CS) 这 4 个 段寄存器.

code segment(CS) + instruction pointer(IP)

code segment 存放 segment address, 这是个专门的代码段寄存器, 用来存放代码的地址. instruction pointer 存放 offset address, 这个是专门的指令寄存器, 用来存放下一条指令的地址. 所以访问代码的 物理地址 = 16 * CS + IP

stack segment(SS) + stack pointer(SP)

stack segment 存放 segment address, 这个是专门的栈帧段寄存器. stack pointer 存放 offset address, 这个专门的记录栈顶的寄存器. 所以访问函数栈帧的 物理地址 = 16 * SS + SP

注意: 如果令 SS = 0, 那么访问函数栈帧的 物理地址 = SP, 也就是只能访问 64K 的空间. 注意: real address mode 能够不受限制地访问 1M 的地址空间. 程序可以自由的访问 1M 的地址空间, 无法进行内存的保护, 这也是 Intel 80386 要解决的问题之一.

general purpose register

memory mapping

已安装内存 8G(7.88G) 可用？？？原因在哪里呢？

Intel 80386

Reference

  1. bus interface unit
  2. execution unit
  3. 8086 Functional Units
  4. components of cpu
  5. 8086-microprocessor-architecture
  6. 8086-microprocessor
  7. memory-segmentation-8086-microprocessor
  8. Advanced Microcomputer Programming
  9. 16 bit processor mean?
  10. memory layout
  11. x86-overview
  12. 计算机位数发展