服务器x86硬件架构 服务器x86硬件架构包括

文章目录

• 计算机工作模式

• 基本组成
• CPU和内存配合工作
• CPU如何将数据写回内存

• x86的原理

• 数据单元
• 控制单元

• 32位处理器
• 总结

作为Linux操作系统，如果下面的硬件千差万别，那么兼容各个硬件就会耗尽大量精力，很难做出易用的产品。

x86是一个开放的平台。

计算机工作模式

基本组成

• CPU（Central Processing Unit）：中央处理器，计算机的大脑
• 总线：CPU和其他设备通过总线连接，总线其实就是主板上密密麻麻的集成电路，组成了CPU和其他设备的高速通道
• 内存：单靠CPU是无法完成计算任务的，很多复杂计算任务都需要将中间结果保存下来，基于中间结果进一步计算，中间结果由于量大，所以就需要依赖内存了。

CPU和内存配合工作

CPU包括三个部分

• 运算单元：只负责计算，例如位移、加法等，但是不知道应该算哪些数据，运算结果放在哪
• 数据单元：包含CPU内部的缓存和寄存器组，空间虽小，但速度快，暂时存放数据和运算结果。出现原因是不用运算单元经过总线去内存里拿（这种过于耗时）。
• 控制单元：指挥运算的地方，是一个统一的指挥中心，它可以获得下一条指令，然后执行这条指令，这个指令会指导运算单元去取数据单元里的某几个数据，计算出结果，然后放到数据单元里某个位置



• 每个项目都有一个项目执行计划书，是一行行项目执行的指令，都是放在档案库里面的。即每个进程都有一个程序放在磁盘上，是二进制的，里面是一行行的指令，操作一些数据。
• 进程一旦运行，比如上图中进程A和进程B会有独立的内存空间，互相隔离，程序会分别加载到进程A和进程B的内存空间里，形成各自的代码段。

CPU如何将数据写回内存

CPU如何执行这些程序，操作这些数据，产生结果并写回内存呢？

指令组成

CPU控制单元里有个指令指针寄存器，里面存放的是下一条指令在内存中的地址。控制单元会不停的将代码段的指令拿进来，先放入指令寄存器。

指令分两部分：做什么操作和操作哪些数据。要执行指令需要

• 做什么操作交给运算单元
• 操作哪些数据交给数据单元

具体执行

• 数据单元根据数据的地址，从数据段里读到数据寄存器里，参与运算
• 运算单元做完运算，产生的结果会暂存再数据单元的数据寄存器里
• 最终会有指令 将数据写回内存的数据段
• CPU里有两个寄存器，专门用来保存当前处理进程的代码段起始地址和数据段的起始地址，当进程切换的时候，这里的地址就会发生变换。

总线分类

CPU和内存传数据靠的都是总线，总线有两类

• 地址总线：地址数据，代表内存中那个位置
• 数据总线：真正存储的数据

地址总线的位数决定了寻址范围，数据总线的位数决定了一次能拿的数据大小。

x86的原理

X86因为IBM凭借大型机技术成为计算机市场的领头羊，形成垄断地位，后来被迫公开技术，形成了开放平台，遵循标准，开放，兼容的原则。

x86中最经典的一款处理器8086结构如下：

数据单元

• 为了暂存数据，8086处理器内部有8个16位的通用寄存器，也就是CPU内部的数据单元，分别是AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。主要用于在计算过程中暂存数据。
• 这些寄存器比较灵活，其中AX、BX、CX、DX可以分成两个8位的寄存器来使用，分别是AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL，其中H就是High（高位），L就是Low（低位）
• 这样比较长的数据、短的数据都能暂存。

控制单元

• IP寄存器就是指令指针寄存器，指向代码段中下一条指令的位置。
• CPU会根据它来不断地将指令从内存的代码段中，加载到CPU的指令队列中，然后交给运算单元去执行。
• 每个进程都分代码段和数据段，为了指向不同进程的地址空间，有四个16位的段寄存器，分别是CS、DS、SS、ES。

• CS就是代码段寄存器，通过它可以找到代码在内存中的位置
• DS是数据段寄存器，通过它可以找到数据在内存中的位置
• SS是栈寄存器。栈是一个后进先出的数据结构。

• 运算中加载内存数据，需要通过DS找到内存中的数据，加载到通用寄存器中，对于一个段，有起始地址，段内具体位置，叫做偏移量。
• CS和DS都存放着一个段的起始地址，代码段的偏移量在IP寄存器中，数据段的偏移量会放在通用寄存器中。

如何凑够8086的20位地址总线？

• 将CS、DS左移4位变成20位，然后加上16位的偏移量，最终得到20位的数据地址。
• 对于20位的地址总线，最多寻址2的20次，1M空间大小，因为偏移量只能是16位的，所以一个段最大大小是64K。

32位处理器

32位处理器中，有32位地址总线，可以访问4G内存。原来的模式不行了，需要在兼容之前模式的基础上，弄出一个开放架构

• 通用寄存器从8个16位的扩展到了8个32位的，依然保留之前的16位和8位使用方式
• 执行下一条指令指针寄存器IP扩展成32位的，同样也兼容16位的
• 新的段寄存器改成了32位的，CS、SS 、DS、ES仍然是16位的，不再是段的起始地址，起始地址放在内存的某个地方，这个地方是一个表格，表格里的一项一项是段描述符，里面才是真正的地址，段寄存器里保存的是这个表格中的哪一项，成为选择子。
• 从段寄存器中拿段的起始地址，变成了间接从段寄存器找到表格中的一项，再从表格中一项中哪都段起始地址。
• 当然为了快速拿到段起始地址，段寄存器会从内存中拿到 CPU 的描述符高速缓存器中。

32位操作系统的架构下，前一种模式为实模式，后一种为保护模式

系统刚启动的时候，CPU是实模式的，和原来兼容，需要更多内存的时候，需要切换到保护模式，用到32位CPU更强大的能力。

总结