计算机体系结构精要

1、现代的计算机体系结构中的两个主要部分是CPU和内存。内存中保存数据和指令，CPU从内存中取指令执行。有些指令让CPU做运算，有些指令让CPU读写内存中的数据。这一部分要详细了解的话就要对汇编语言比较清楚。

2、每个内存（memory）单元有一个地址。每个内存单元的大小为1Byte。内存地址是从0开始编号的整数。

3、CPU只做两件事：1. 从内存中取指令 2. 解释执行这条指令。  这两件事情周而复始的执行。

4、CPU内部包括：寄存器（Regester）、程序计数器(PC, Program Counter)、指令译码器(Instruction Decoder)、算术逻辑单元（ALU）、地址和数据总线（Bus）。

• 寄存器把内存的东西拿到CPU内部存储起来，更快更方便。
• PC是一个特殊的寄存器，通常表示为eip。里面存放一个地址，CPU到这个地址所指示的地方取指令。
• CPU从内存中取来的指令需要经过翻译之后CPU才知道是什么意思，这个任务就由指令译码器来完成。
• 如果指令译码器把一条指令翻译为运算指令，比如加减乘除、位运算、逻辑运算，ALU就执行这些运算。
• 在32位处理器上，地址总线和数据总线都是32条。这样的CPU中寄存器的位数(?)(每个寄存器的容量取决于CPU的字长，在32位系统上一个word是32位的)也是32位的，一次传输32bit的数据。还有控制总线，用来控制传输。

      详细的CPU解释可以参看http://learn.akae.cn/media/ch17s02.html

5、从CPU的角度来看，访问设备只有内存映射I/O和端口I/O两种，要么像内存一样访问，要么用一种专用的指令访问。

     在x86平台上，硬盘是挂在IDE、SATA或SCSI总线上的设备

6、内存只是保存数据而不会产生新的数据，如果CPU不去读它，它也不需要主动提供数据给CPU，所以内存总是被动地等待被读或者被写。

7、设备往往会自己产生数据，并且需要主动通知CPU来读这些数据，例如敲键盘产生一个输入字符，用户希望计算机马上响应自己的输入，这就要求键盘设备主动通知CPU来读这个字符并做相应处理，给用户响应。这是由中断（Interrupt）机制实现的，每个设备都有一条中断线，通过中断控制器连接到CPU，当设备需要主动通知CPU时就引发一个中断信号，CPU正在执行的指令将被打断，程序计数器会指向某个固定的地址（这个地址由体系结构定义），于是CPU从这个地址开始取指令（或者说跳转到这个地址），执行中断服务程序（ISR，Interrupt Service Routine），完成中断处理之后再返回先前被打断的地方执行后续指令。比如某种体系结构规定发生中断时跳转到地址0x00000010执行，那么就要事先把一段ISR程序加载到这个地址，ISR程序是内核代码的一部分，在这段代码中首先判断是哪个设备引发了中断，然后调用该设备的中断处理函数做进一步处理。

       详细的设备解释可以参看：http://learn.akae.cn/media/ch17s03.html

8、如果是32位处理器，则内地址总线是32位的，与CPU执行单元相连，而经过MMU（MMU位于CPU核中）转换之后的外地址总线则不一定是32位的。也就是说，虚拟地址空间和物理地址空间是独立的，32位处理器的虚拟地址空间是4GB，而物理地址空间既可以大于也可以小于4GB。

9、我们在程序中使用的变量和函数都有各自的地址，程序被编译后，这些地址就成了指令中的地址，指令中的地址被CPU解释执行，就成了CPU执行单元发出的内存地址，所以在启用MMU的情况下，程序中使用的地址都是虚拟地址，都会引发MMU做查表和地址转换操作。

10、MMU除了做地址转换之外，还提供内存保护机制。各种体系结构都有用户模式（User Mode）和特权模式（Privileged Mode）之分，操作系统可以在页表中设置每个内存页面的访问权限，有些页面不允许访问，有些页面只有在CPU处于特权模式时才允许访问，有些页面在用户模式和特权模式都可以访问，访问权限又分为可读、可写和可执行三种。这样设定好之后，当CPU要访问一个VA时，MMU会检查CPU当前处于用户模式还是特权模式，访问内存的目的是读数据、写数据还是取指令，如果和操作系统设定的页面权限相符，就允许访问，把它转换成PA，否则不允许访问，产生一个异常（Exception）。异常的处理过程和中断类似，不同的是中断由外部设备产生而异常由CPU内部产生，中断产生的原因和CPU当前执行的指令无关，而异常的产生就是由于CPU当前执行的指令出了问题，例如访问内存的指令被MMU检查出权限错误，除法指令的除数为0等都会产生异常。

11、在正常情况下处理器在用户模式执行用户程序，在中断或异常情况下处理器切换到特权模式执行内核程序，处理完中断或异常之后再返回用户模式继续执行用户程序。

12、段错误我们已经遇到过很多次了，它是这样产生的：

1. 用户程序要访问的一个VA(Virtual Address)，经MMU(Memory Management Unit)检查无权访问。

2. MMU产生一个异常，CPU从用户模式切换到特权模式，跳转到内核代码中执行异常服务程序。

3. 内核把这个异常解释为段错误，把引发异常的进程终止掉。

      关于MMU的内容可以参看：http://learn.akae.cn/media/ch17s04.html

13、一级缓存是用VA寻址的，二级缓存是用PA寻址的，这是它们的区别。Cache所做的工作是由硬件自动完成的，而不是像寄存器一样由指令决定先做什么后做什么。

14、硬盘位于设备总线上，并不直接和CPU相连，CPU通过设备总线的控制器访问硬盘。——由驱动程序操作设备总线控制器去访问硬盘。

15、除了访问寄存器由程序指令直接控制之外，访问其它存储器都不是由指令直接控制的，有些是硬件自动完成的，有些是操作系统配合硬件完成的。

       关于Memory Hierachy的内容可以参看：http://learn.akae.cn/media/ch17s05.html

这一部分的内容摘自“计算机体系结构基础”，网页为：http://learn.akae.cn/media/ch17.html。非常感谢作者的奉献精神。