摘自：Linux 從頭學 01：CPU 是如何執行一條指令的？
作者：IOT物聯網小鎮
發布時間：2021-07-02 08:22:43
網址：https://blog.csdn.net/jchen1218/article/details/118404217?utm_source=app&app_version=4.10.0&code=app_1562916241&uLinkId=usr1mkqgl919blen

文章目錄

• • 【Linux 從頭學】是什么
  • 古老的 Intel8086 處理器
  • 主存儲器是什么？
  • 寄存器是什么？
  • 三個總線
  • CPU 如何對內存進行尋址？
  • 我們是如何控制 CPU 的？
  • CPU 執行指令流程

【Linux 從頭學】是什么

這兩年多以來，我的本職工作重心一直是在 x86 Linux 系統這一塊，從驅動到中間層，再到應用層的開發。

隨著內容的不斷擴展，越發覺得之前很多基礎的東西都差不多忘記了，比如下面這張表(《深入理解 LINUX 內核》第 47 頁)：

這張表描述了 Linux 系統中幾個段描述符信息。

數據段和代碼段，仔細看一下相關書籍就知道這些描述符代表什么意思，但是:

為什么這幾個段的 Base 地址都是 0x00000000？

為什么 Limit 都是 0xfffff？

為什么它們的 Type 類型和優先級 DPL 又各不相同？

如果沒有對 x86 平臺的一些基礎知識的理解，要啃完這本書真的是挺費力氣的！

更要命的是，隨著 Linux 內核代碼的體積不斷膨脹，最新的 5.13 版本壓縮檔已經是一百多兆了:

這么一個龐然大物，如何下手才能真正的學好 Linux 呢？！

即便是從 Linux 0.11 版本開始，其中的很多代碼看起來也是非常費勁的！

周末在整理一些吃灰的書籍時，發現幾本以前看過的好書: 王爽的《匯編語言》，李忠的《從實模式到保護模式》，馬朝暉翻譯的《匯編語言程序設計》等等。

都是非常-非常-老的書籍，再次翻了一下，真心覺得內容寫得真好！

對一些概念、原理、設計思路的描述，清晰而透徹。

Linux 系統中的很多關于分段、內存、寄存器相關的設計，都可以在這些書籍中找到基礎支撐。

于是乎，我就有了一個想法：是否可以把這些書籍中，與 Linux 系統相關的內容進行一次重讀和整理，但絕不是簡單的知識搬運。

考慮了一下，大概有下面幾個想法：

先確定最終目標的目標：學習 Linux 操作系統;

這幾本書寫的都是匯編語言，以及比較基礎的底層知識。我們會淡化匯編語言部分，把重點放在與 Linux 操作系統有關聯的原理部分;

不會嚴格按照書中的內容、順序來輸出文章，而是把幾本書中內容相關的部分放在一起學習、討論;

有些內容，可以與 Linux 2.6 版本中的相關部分進行對比分析，這樣的話在以后學習 Linux 內核部分時，可以找到底層的支撐;

最后，希望我自己能堅持這個系列，也算是給自己的一個梳理吧。

一句話：以基礎知識為主！

作為開篇第一章，本文將會描述下面這張圖的執行步驟：

現在就開始吧！

古老的 Intel8086 處理器

8086 是 Intel 公司的第一款 16 位處理器，誕生于 1978 年，應該比各位小伙伴的年齡都大一些。

在 Intel 公司的所有處理器中，它占有很重要的地位，是整個 Intel 32 位架構處理器(IA-32)的開山鼻祖。

那么，問題來了，什么叫 16 位的處理器？

有些人會把處理器的位數與地址總線的位數搞混在一起！

我們知道，CPU 在訪問內存的時候，是通過地址總線來傳送物理地址的。

8086 CPU 有 20 位的地址線，可以傳送 20 位地址。

每一根地址線都表示一個 bit，那么 20 個 bit 可以表示的最大值就是 2 的 20 次方。

也就是說：最大可以定位到 1M 地址的內存，這稱作 CPU 的尋址能力。

但是，8086 處理器卻是 16 位的，因為：

運算器一次最多可以處理 16 位的數據;

寄存器的最大寬度為 16 位;

寄存器和運算器之間的通路為 16 位;

也就是說：在 8086 處理器的內部，能夠一次性處理、傳輸、暫時存儲的最大長度是 16 位，因此，我們說它是 16 位結構的 CPU。

主存儲器是什么？

計算機的本質就是對數據的存儲和處理，那么參與計算的數據是從哪里來的呢？那就是一個稱作 存儲器(Storage 或 Memory)的物理器件。

從廣義上來說，只要能存儲數據的器件都可以稱作存儲器，比如：硬盤、U盤等。

但是，在計算機內部，有一種專門與 CPU 相連接，用來存儲正在執行的程序和數據的存儲器，一般稱作內存儲器或者主存儲器，簡稱：內存或主存。

內存按照字節來組織，單次訪問的最小單位是 1 個字節，這是最基本的存儲單元。

每一個存儲單元，也就是一個字節，都對應著一個地址，如下圖所示：

CPU 就通過地址總線來確定：對內存中的哪一個存儲單元中的數據進行訪問。

第 1 個字節的地址是 0000H，第 2 個字節的地址是 0001H，后面以此類推。

圖中的這個內存，最大存儲單元的地址是 FFFFH，換算成十進制就是 65535，因此這個內存的容量是 65536 字節，也就是 64 KB。

這里有一個原子操作的問題可以考慮一下。

在 Linux 內核代碼中，很多地方使用了原子操作，比如：互斥鎖的實現代碼。

為什么原子操作需要對變量的類型限制為 int 型呢？這就涉及到對內存的讀寫操作了。

盡管內存的最小組成單位是字節，但是，經過精心的設計和安排，不同位數的 CPU，能夠按照字節、字、雙字進行訪問。

換句話說，僅通過單次訪問，16 位處理器就能處理 16 位的二進制數，32 位處理器就能處理 32 位的二進制數。

寄存器是什么？

在 CPU 內部，一些都是代表 0 或 1 的電信號，這些二進制數字的一組電信號出現在處理器內部線路上，它們是一排高低電平的組合，代表著二進制數中的每一位。

在處理器內部，必須用一個稱為寄存器的電路把這些數據鎖存起來。

因此，寄存器本質上也屬于存儲器的一種。只不過它們位于處理器的內部，CPU 訪問寄存器比訪問內存的速度更快。

處理器總是很忙的，在它操作的過程中，所有數據在寄存器里面只能是臨時存在一小會，然后再被送往別處，這就是為什么它被叫做“寄存器”。

8086 中的寄存器都是 16 位的，可以存放 2 個字節，或者說 1 個字。高字節在前(bit8 ~ bit15)，低字節在后(bit0 ~ bit7)。

8086 中有下面這些寄存器：

剛才說了，這些寄存器都是 16 位的。由于需要與以前更古老的處理器兼容，其中的 4 個寄存器：AX、BX、CX、DX 還可以當成 2 個 8 位的寄存器來使用。

比如：AX 代表一個 16 位的寄存器，AH、AL 分別代表一個 8 位的寄存器。

mov AX, 5D 表示把 005D 送入 AX 寄存器(16 位) mov AL, 5D 表示把 5D 送入 AL 寄存器(8 位)

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三個總線

當我們啟動一個應用程序的時候，這個程序的代碼和數據都被加載到物理內存中。

CPU 無論是讀取指令，還是操作數據，都需要與內存進行信息的交互：

確定存儲單元的地址(地址信息);

器件的選擇，讀或寫的命令(控制信息);

讀或寫的數據(數據信息);

在計算機中，有專門連接 CPU 和其他芯片的數據，稱為總線。

從邏輯上來分類，包括下面 3 種總線：

地址總線：用來確定存儲單元的地址;
控制總線: CPU 對外部期間進行控制;
數據總線: CPU 與內存或其他器件之間傳送數據;

8086 有 20 根地址線，稱作地址總線的寬度，它可以尋址 2 的 20 次方個內存單元。

同樣的道理，8086 數據總線的寬度是 16，也就是一次性可以傳送 16 bit 的數據。

控制總線決定了 CPU 可以對外進行多少種控制，決定了 CPU 對外部器件的控制能力。

CPU 如何對內存進行尋址？

在 Linux 2.6 內核代碼中，編譯器產生的地址叫做虛擬地址(也稱作：邏輯地址)，這個邏輯地址經過段轉換之后，變成線性地址，線性地址再經過分頁轉換，就得到最終物理內存上的物理地址。

還記得文章開頭的那張段描述符的表格嗎？

其中的代碼段和數據段描述符的起始地址都是 0x00000000，也就是說: 在數值上虛擬地址和轉換后的線性地址是相等的（稍后就會明白為什么是這樣）。

我們再來看看一下 8086 中更簡單的地址轉換。

剛才說到，內存是一個線性的存儲器件，CPU 依賴地址來定位每一個存儲單元。

對于 8086 CPU 來說，它有 20 根地址線，可以傳送 20 位地址，達到 1MB 的尋址能力。

但是 8086 又是 16 位的結構，在內部一次性處理、傳輸、暫時存儲的地址只有 16 位。

從內部結構來看，如果將地址從內部簡單的發出到地址總線上，只能送出 16 位的地址，這樣的話，尋址能力只有 64KB。

那么應該怎么才能充分利用 20 根地址線呢？

8086 CPU 采用: 在內部使用兩個 16 位地址合成的方法，來形成一個 20 位的物理地址，如下所示：

第一個 16 位的地址稱為段地址，第二個 16 位的地址稱為偏移地址。

地址加法器采用下面的這個公式，來“合成”得到一個 20 位的物理地址：

物理地址 = 段地址 x 16 + 偏移地址

例如：我們編寫的程序，在加載到內存中之后，放在一個內存空間中。

CPU 在執行這些指令的時候，把 CS 寄存器當做段寄存器，把 IP 寄存器當做偏移寄存器，然后計算 CS x 16 + IP 的值，就得到了指令的物理地址。

從以上的描述中可以看出：8086 CPU 似乎是因為寄存器無法直接輸出 20 位的物理地址，不得已才使用這樣的地址合成方式。

其實更本質的原因是：8086 CPU 就是想通過 基地址 + 偏移量 的方式來對內存進行尋址(這里的基地址，就是段地址左移 4 位)。

也就是說，即使 CPU 有能力直接輸出一個 20 位的地址，它仍然可能會采用 基地址 + 偏移量的方式來進行內存尋址。

想一下：我們在 Linux 系統中編譯一個庫文件的時候，一般都會在編譯選項中添加 -fPIC 選項，表示編譯出來的動態庫是地址無關的，在被加載到內存時需要被重定位。

而基地址+偏移量的尋址模式，就為重定位提供了底層支撐。

我們是如何控制 CPU 的？

CPU 其實是一個很純粹、很呆板的一個東西，它唯一做的事情就是：到 CS:IP 這兩個寄存器指定的內存單元中取出一條指令，然后執行這條指令：

當然了，還需要預先定義一套指令集，在內存中的指令區中，存儲的都必須是合法的指令，否則 CPU 就不認識了。

每一條指令都是用某些特定的數(指令碼)來指示 CPU 進行特定的操作。

CPU 認識這些指令，一看到這些指令碼，CPU 就知道這個指令碼后面還有幾個字節的操作數、需要進行什么樣的操作。

例如：指令碼 F4H 表示讓處理器停機，當 CPU 執行這條指令的時候，就停止工作。

（其實這里說 CPU 已經有點不準確了，因為 CPU 是囊括了很多器件的一個整體，也許這里說 CPU 中的執行單元會更準確些。）

另外有一點可以提前說一下：內存中的一切都是數據，至于把其中的哪一部分數據當做指令來執行，哪一部分數據當做被指令操作的“變量”，這完全是由操作系統的設計者來規劃的。

在 8086 處理器的層面來說，只要是 CS:IP “指向”的內存區域，都被當做指令來執行。

從以上描述可以看出：在 CPU 中，程序員能夠用指令讀寫的器件只有寄存器，我們可以通過改變寄存器中的內容，來實現對 CPU 的控制。

更直白的說就是：我們可以通過改變 CS、IP 寄存器中的內容，來控制 CPU 執行目標指令。

作為一名合格的嵌入式開發者，大家估計都配置過一些單片機里的寄存器，以達到一些功能定義、端口復用的目的，其實這些操作，都可以看做是我們對 CPU 的控制。

如果把 CPU 比作木偶，那么 寄存器就是控制木偶的繩索。

我們再把 CPU 與 工控領域的 PLC 編程進行類比一下。

我們在拿到一個新的 PLC 設備之后，其中只有一個運行時(runtime)，這個運行時執行的本職工作就是：

掃描所有的輸入端口，鎖存在輸入映象區;

執行一個運算、控制邏輯，得到一些列輸出信號，鎖存到輸出映象區;

把輸出映象區的信號，刷新到輸出端口;

在一個全新的 PLC 中，其中第 2 個步驟中需要的運算、控制邏輯可能就不存在。

因此，單單一個 runtime，PLC 是無法完成一件有意義的工作的。

為了讓 PLC 完成一個具體的控制目標，我們還需要利用 PLC 廠家提供的上位機編程軟件，開發一個運算、控制邏輯程序，編程語言一般都是梯形圖居多。

當這個程序被下載到 PLC 中之后，它就可以控制運行時來做一些有意義的工作了。

我們可以簡單的認為：梯形圖就是用來控制 PLC 的運行時。

對于 CPU 來說，想讓它執行某個內存單元的指令，只要修改寄存器 CS 和 IP 即可。

換句話說：只要對一個程序的內存布局足夠的清楚，可以把 CPU 玩弄于股掌之間，讓它執行哪里的代碼都可以。

CPU 執行指令流程

現在我們已經明白了地址轉換、內存的尋址，距離 CPU 執行一條指令需要的最小單元還剩下：指令緩沖區和控制電路。

簡單來說：指令緩沖區用來緩存從內存中讀取的指令，控制電路用來協調各種器件對總線等資源的使用。

對于下面這張圖來說，它一共有 4 條指令：

以第一條指令來舉例，它一共經過 5 個步驟：

把 CS:IP 內容送入地址加法器，計算得到 20 位的物理地址 20000H;

控制電路把 20 位的地址，送入到地址總線;

內存中 20000H 單元處的指令 B8 23 01，經過數據總線被送到指令緩沖區;

指令偏移寄存器 IP 的值要加 3，指向下一條等待被執行的偏移地址(因為指令碼 B8 代表當前指令的長度是 3 個字節);

執行指令緩沖區中的指令: 把數值 0123H 送入寄存器 AX 中;

以上就是一條指令的執行最基本步驟，當然，現代處理器的指令執行流程，比這里的要復雜的多得多。

------ End ------

萬丈高樓平地起！

這篇文章，僅僅描述了 CPU 執行一條指令所需要的最小知識點。

下一篇文章，我們再繼續對內存的分段機制進行更進一步的窺探。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux 从头学 01：CPU 是如何执行一条指令的？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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