CPU瞒着内存竟干出这种事

时间 2020-05-18

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还记得我吗，我是阿Q，CPU一号车间的那个阿Q。编程

今天忙里偷闲，来到厂里地址翻译部门转转，负责这项工做的小黑正忙得满头大汗。浏览器

看到个人到来，小黑指着旁边的座椅示意让我坐下。编程语言

坐了好一下子，小黑才从工位上忙完转过身来，“实在很差意思阿Q，今天活太多，没来得及招待你”源码分析

“刚忙什么呢，看你满头大汗的”，我问道。性能

“嗨，别提了，总是发现内存页面错误，不停地要通知操做系统那边去处理，真是怀念之前啊，没有这么多破事儿要管”，小黑叹了口气。操作系统

我一听来了兴趣，“小黑你给我说说大家的工做呗，地址翻译是怎么一回事儿，为何怀念之前呢？”线程

小黑调整了下坐姿，咕噜咕噜喝了几口水说道，“这话说来可就话长了”翻译

接下来小黑开始给我讲起了历史故事······3d

8086

原来我们的祖先叫8086，小黑还给我看了他的照片code

那是一个纯真质朴的年代，虽然工做性能不高，不过那个年代的程序都很简单，咱们的祖先一问世就成为了明星，称得上那个时代的顶流了。

看到照片中的那些金属针脚了吗？那是咱们CPU和外界打交道的触角，每一根都有不一样的做用。

经过这些触角，CPU就能够跟内存打交道，获取指令和数据，辛勤的干活啦。

那个年代，条件比较差，能凑合的就凑合，能共用的就共用。这不，你看祖先CPU的地址总线针脚和数据总线针脚就共用了。

祖先是一个16位的CPU，数据(Data)总线就有16位，一次性能够传输16个比特位。和地址(Address)总线凑合着一块儿共用，因而就取名AD0-AD15。

不过祖先的地址总线却不止16个，还多出了A16-A19整整4个呢！这样有20个地址线，能够寻址1MB的内存了！

可是祖先的寄存器都是16位的啊，只能存放16位的地址。不过他们很聪明，发明了一个叫分段式存储管理的方法，把内存划分为最大64KB的小块，为何是64KB呢，由于16位地址最多只能寻址这么大了。而后又加了几个叫作段寄存器的东西，指向这些块的开头，这样，经过段地址+段内偏移地址的方式，就能访问更多的内存了。

32位时代

后来啊，祖先的那点计算能力愈来愈捉襟见肘，实在是跟不上时代了。家族中的年轻一代开始挑大梁，80286和80386CPU相继问世，尤为是80386，成为了划时代的存在。

到了80386时代，咱们与外界通讯的引脚就更多了，而且变成了32位的CPU，那个时候，生活条件就变好了，地址线和数据线不再用共享引脚了。

后来，人类变得愈来愈贪心，想要一边听音乐，一边还要上网，同时还要编辑文档，这就同时须要运行多个程序。

这个时候，有人发现了商机，开发了一个叫操做系统的东西，原来那些程序再也不直接和咱们CPU打交道了，而是和操做系统打交道，操做系统再和咱们打交道，中间商赚差价说的就是他们！

操做系统这玩意儿很聪明啊，经过时间片划分让咱们CPU来轮流执行多个程序，一下子让咱们执行音乐播放，一下子让咱们执行浏览器程序，一下子又让咱们执行文档编辑程序。咱们是无所谓啊，给什么代码不是代码啊，咱们不挑，埋头苦干就是了。人类的反应速度跟咱们就差得远了，他们还觉得这些程序真的是同时执行的呢。

虚拟内存

不过随之而来出现了一个大问题，这么多程序都要运行，你们挤在一个内存里，常常发生摩擦，冲突不断。

先祖们为了此事殚精竭虑，终于想出了一个好办法，一直沿用至今。

他们提出了一个虚拟地址的东西，全部程序使用的地址都是一个虚拟的地址，在真正和内存打交道的时候，我们CPU内部工做人员再给翻译成真实的内存地址，关于这事儿，内存那家伙一直被咱们蒙在鼓里。

这样一来，每一个程序均可以用的是0x00000000到0xffffffff总共4GB这么大范围的地址空间，固然不会真的给他们那么多空间，内存那家伙总共才4GB呢，而是要按需申请分配。分配的单元是按照页来进行的，32位的CPU一个页是4KB。这些分配管理的累活就让操做系统来干了，中间商不能光拿好处不干正事，至于咱们CPU，作好地址翻译的工做就行了。

为此，在咱们寄存器内部专门添置了一个新的寄存器CR3，用来指向一个地址翻译查询字典，字典划分了两级目录。咱们把一个32位的地址划分了3部分，前面两部分分别指向两级目录中的条目，用来定位这个地址在物理内存的哪一个页面，最后一部分就是指向物理内存页面的偏移，这样就完成了地址的翻译工做。

每一个进程有不一样的地址空间，切换进程的时候，把CR3的内容换一下就使用新进程的翻译字典，特别的方便。

咱们把这种内存管理方式叫作分页式内存管理。

真佩服先祖们的智慧，这样巧妙的把各个程序隔离开来，后来咱们把这种工做模式叫作保护模式，把以前那种直接使用真实内存地址的工做模式叫作实地址模式。