Linux后端程序成長關鍵技術之底層體系結構
計算機程序的Bug千奇百怪，要想能順利的解決疑難雜癥，必須對計算機的底層原理非常熟悉。比如在實際生產中不光我們的應用會出問題，操作系統也可能有Bug，硬件也可能有Bug。因此，只有更加深入的理解了原理，才能更加方便我們解決問題。
本文對計算機的體系結構底層原理進行簡要的介紹。這些知識對于幫助我們解決疑難問題會有很大的幫助。做程序開發應該深入原理，不僅要知其然，還要知其所以然。
計算機的工作模式
- 對于一個計算機來說，最核心的是CPU，CPU是計算機的大腦，所有設備都圍繞其展開
- CPU通過總線(Bus)與其他設備連接，在這些設備中，最為重要的是內存(Memory)
- 單靠CPU是無法完成計算任務的，很多復雜的計算任務都需要將中間結果保存下來，然后基于中間結果進行下一步的計算
- CPU和內存是完成計算的核心組件
CPU本身無法保存這么多的中間結果，因此需要依賴于內存
CPU
- CPU包含三部分：運算單元、數據單元和控制單元
- 運算單元只管計算，但它不知道應該算哪些數據，運算結果應該放在哪里
- 運算單元計算的數據如果每次都要經過總線，直接到內存里面現拿，速度會很慢，因此出現了數據單元
- 數據單元包括CPU內部的緩存和寄存器組，空間很小，但速度很快
- 控制單元是一個統一的指揮中心，可以獲得下一條指令，然后執行這條指令
這個指令會指導運算單元取出數據單元中的某幾個數據，計算出結果，然后放在數據單元的某個地方
計算過程
1. 每個進程都有一個程序放在硬盤上，是二進制的，在里面存儲的是一行一行的指令，這些指令會操作一些數據
2. 進程開始運行，會有獨立的內存空間，相互隔離但不連續 - 程序會分別加載到進程A和進程B的內存空間里面，形成各自的代碼段
3. 程序在運行過程中要操作的數據和產生的計算結果，都會放在數據段(內存)里
4. 在CPU的控制單元里面，有一個指令指針寄存器，記錄的是下一條指令在內存中的地址 - 控制單元會不停地將代碼段的指令拿進來，先放入指令寄存器
5. 指令的組成部分：做什么操作 + 操作哪些數據 - 要執行指令，需要將***部分交給運算單元，將第二部分交給數據單元
6. 數據單元根據數據的地址，從數據段里讀取數據到數據寄存器，最終會有指令將數據寫回到內存中的數據段
7. CPU里有兩個寄存器，專門保存當前處理進程的代碼段起始地址和數據段起始地址，圖中的當前進程為進程A
8. CPU和內存通過總線傳輸數據，總線上有兩類數據 - 地址總線(Address Bus)：地址數據，位數決定了能訪問的地址有多廣 - 數據總線(Data Bus)：真正的數據，位數決定了一次性能拿多少數據
x86架構
型號
8086的原理
通用寄存器
- 為了暫存數據，8086處理器內部有8個16位的通用寄存器，屬于CPU內部的數據單元
- 分別是AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI和DI
- 其中AX、BX、CX和DX可以分成兩個8位的寄存器來使用，其中H就是High，L就是Low
- 這樣，比較長的數據也能暫存，比較短的數據也能暫存
控制單元
- IP寄存器(Instruction Pointer Register)即指令指針寄存器
- 指向代碼段中下一條指令的位置
- CPU會根據IP寄存器不斷地將指令從內存的代碼段中，加載到CPU的指令隊列中，然后交給運算單元去執行
- 切換進程
- 每個進程都分為代碼段和數據段
- 為了指向不同進程的地址空間，有4個16位的段寄存器，分別是CS、DS、SS和ES
- CS(Code Segment Register)是代碼段寄存器，通過它可以找到代碼在內存中的位置
- DS(Data Segment Register)是數據段寄存器，通過它可以找到數據在內存中的位置
- SS(Stack Segment Register)是棧寄存器，但凡與函數調用相關的操作，都與棧緊密相關
- A調用B，B調用C
- 當A調用B的時候，要執行B函數的邏輯，因而A運行的相關信息會被push到棧里
- 當B調用C的時候，同理，B運行的相關信息會被push到棧里，然后才運行C函數的邏輯
- 當C運行完畢后，先pop出來的是B，B接著調用C函數之后的指令運行下去
- B運行完畢后，再pop出來的是A，A接著運行，直至結束
加載內存數據
- 如果需要加載內存中的數據，可以通過DS找到內存中的數據，加載到通用寄存器
- 對于一個段，有一個起始地址，而段內的具體位置，稱為偏移量
- CS和DS都存放著一個段的起始地址
- 代碼段的偏移量放在IP寄存器
- 數據段的偏移量放在通用寄存器
- CS和DS都是16位的(起始地址)，IP寄存器和通用寄存器也都是16位的(偏移量)，但8086的地址總線是20位的
- 湊20位：起始地址 << 4 + 偏移量
- 無論真正的內存有多大，對于只有20位地址總線的8086來說，能夠區分的地址也就2^20=1M(尋址單位為Byte)
- 如果想訪問1M+X的地方，在總線上超過20位的部分根本發不出去，***訪問的還是1M內的X位置
- 偏移量只有16位的，所以一個段的***大小為2^16=64K
- 因此對于8086的CPU來說，最多只能訪問1M的內存空間，還要分成多個段，每個段***為64K
32位處理器
- 在32位的CPU中，有32根地址總線，可以訪問2^32=4G的內存
- x86架構是開放的，因此32位的CPU需要兼容原來的架構
兼容
1. 通用寄存器 - 將8個16位的通用寄存器擴展到8個32位的通用寄存器，但依然保留16位和8位的使用方式 - 高16位不能分成兩個8位使用，因為這是不兼容的
2. IP寄存器 - 指向下一條指令的指令指針寄存器IP，會擴展成32位的，同樣兼容16位
3. 段寄存器(Segment Register) - CS、DS、SS和ES仍然是16位，但不再是段的起始地址，段的起始地址放在內存的某個地方(表格)
- 表格中的一項是段描述符(Segment Descriptor)，里面才是段真正的起始地址 - 而段寄存器里面保存的是這個表格中的某一項，稱為選擇子(Selector)
- 獲取段起始地址的流程：先間接地從段寄存器中找到表格中的一項，再從表格中的一項拿到段真正的起始地址
- 為了快速拿到段的起始地址，段寄存器會從內存中拿到CPU的描述符高速緩存器中
- 這種模式與8086的模式不兼容，但非常靈活，可以保持未來的兼容性
實模式 VS 保護模式
- 在32位的架構下，將前一種模式稱為實模式(Real Pattern)，后一種模式稱為保護模式(Protected Pattern)
- 系統剛剛啟動的時候，CPU處于實模式，此時和原來的模式是兼容的。即32位的CPU，也支持在原來的模式下運行，速度會快一點
- 當需要更多內存時，可以遵循一定的規則，進行一系列的操作，然后切換到保護模式，就能夠用到32位CPU更強大的能力
- 如果不能無縫兼容，但通過切換模式兼容，也是可以接受的
系統交互
常用匯編指令
mov, call, jmp, int, ret, add, or, xor, shl, shr, push, pop, inc, dec, sub, cmp
