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2020-05-28 16:49
CPU瞒着内存竟干出这种事?

本文来自微信公众号:编程技术宇宙(ID:xuanyuancoding),作者:轩辕之风,题图来自:视觉中国


还记得我吗,我是阿Q,CPU一号车间的那个阿Q。


今天忙里偷闲,来到厂里地址翻译部门转转,负责这项工作的小黑正忙得满头大汗。


看到我的到来,小黑指着旁边的座椅示意让我坐下。



坐了好一会儿,小黑才从工位上忙完转过身来,“实在不好意思阿Q,今天活太多,没来得及招待你。”


“刚忙什么呢,看你满头大汗的。”我问道。


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



我一听来了兴趣,“小黑你给我说说你们的工作呗,地址翻译是怎么一回事儿,为什么怀念以前呢?”


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。”


接下来小黑开始给我讲起了历史故事......


8086


原来咱们的祖先叫8086,小黑还给我看了他的照片。



那是一个纯真质朴的年代,虽然工作性能不高,不过那个年代的程序都很简单,我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?那是我们CPU和外界打交道的触角,每一根都有不同的作用。



通过这些触角,CPU就可以跟内存打交道,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,一次性可以传输16个比特位。和地址(Address)总线凑合着一起共用,于是就取名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,可以寻址1MB的内存了!


但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,为什么是64KB呢,因为16位地址最多只能寻址这么大了。然后又加了几个叫做段寄存器的东西,指向这些块的开头,这样,通过段地址+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越来越捉襟见肘,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,尤其是80386,成为了划时代的存在。



到了80386时代,我们与外界通信的引脚就更多了,并且变成了32位的CPU,那个时候,生活条件就变好了,地址线和数据线再也不用共享引脚了。



后来,人类变得越来越贪心,想要一边听音乐,一边还要上网,同时还要编辑文档,这就同时需要运行多个程序。


这个时候,有人发现了商机,开发了一个叫操作系统的东西,原来那些程序不再直接和我们CPU打交道了,而是和操作系统打交道,操作系统再和我们打交道,中间商赚差价说的就是他们!


操作系统这玩意儿很聪明啊,通过时间片划分让我们CPU来轮流执行多个程序,一会儿让我们执行音乐播放,一会儿让我们执行浏览器程序,一会儿又让我们执行文档编辑程序。我们是无所谓啊,给什么代码不是代码啊,我们不挑,埋头苦干就是了。人类的反应速度跟我们就差得远了,他们还以为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,大家挤在一个内存里,经常发生摩擦,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,所有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,咱们CPU内部工作人员再给翻译成真实的内存地址,关于这事儿,内存那家伙一直被我们蒙在鼓里。



这样一来,每个程序都可以用的是0x00000000到0xffffffff总共4GB这么大范围的地址空间,当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作系统来干了,中间商不能光拿好处不干正事,至于我们CPU,做好地址翻译的工作就好了。



为此,在我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。我们把一个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作。


每个进程有不同的地址空间,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。


我们把这种内存管理方式叫做分页式内存管理


真佩服先祖们的智慧,这样巧妙的把各个程序隔离开来,后来我们把这种工作模式叫做保护模式,把之前那种直接使用真实内存地址的工作模式叫做实地址模式


分页交换


人类变得越来越贪婪,程序变得越来越多,对内存的需求也越来越大。随着这些程序都不断申请内存页面,内存空间很快就要耗尽了。


我们看在眼里,急在心里,后来找操作系统协商,看看这问题该怎么办。



操作系统那家伙也不赖,想出了一个好办法。内存的大小有限,但是硬盘给力啊,硬盘空间大的多,去硬盘上划一块区域来,把内存里长时间没有用到的页面给换到这块区域里去,然后做个标记。如果后面谁要访问那个页面,咱们CPU就检查如果有这个标记,就发送一个页错误的中断信号告诉操作系统去把这个页面换回来。


通过我们之间的配合,解决了内存紧张的危机。后来我们把这个技术叫做内存分页交换


现在


时间过得很快,到了我们这一辈,内存变得更大了,16GB都是小case,32GB也很常见。


除了内存,我们CPU本身也更先进了,别的不说,你光看看咱们现在的引脚数那比先祖们那几辈就不可同日而语。



我们不仅从32位变成了64位,还从单核变成了多核,像我所在的CPU就有8个车间,8核并行执行,比起先祖那个年代简直有云泥之别。


彩蛋


和小黑闲谈间,我们车间的老K突然出现在了门口。


“阿Q原来你在这里,让我好找,赶快回去吧,隔壁二号车间的虎子说我们改了他们的数据,上门来闹事了······”


预知后事如何,请关注后续精彩······



本文来自微信公众号:编程技术宇宙(ID:xuanyuancoding),作者:轩辕之风,题图来自:视觉中国

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