本篇主要介绍CPU的组成以及记录下其中关于寄存器的知识。以x86为例进行说明。

CPU的组成

我们知道现在的电脑组成一般包含CPU、内存、USB、硬盘、网卡、显卡、声卡等等，其中CPU和内存较为重要，CPU（Central Processing Unit，中央处理器）是一台电脑的核心，可以视作一个人的大脑，可以说所有设备都是围绕它来展开的（计算机的计算二字全都在CPU里了，你说它核心不核心）。

而这些设备之间的连接血管或者经络是一个叫做总线(Bus)的东西。其连接的逻辑图如下所示：

对于其他的设备而言，内存是相对来说最为重要的。CPU是拥有计算能力的，但是我们在计算的时候需要计算什么数据呢（也就是数据在哪儿）？计算的结果又存放在哪儿呢？由于CPU造价昂贵（各位可以对比下配置电脑的时候CPU和内存条的价格就心中有数了），并且其主要功能是“计算”二字，所以不可能将存储大量数据的功能也放置在CPU中（并不是说CPU中就没有一点儿数据了），这个时候就需要一个跟CPU进行“沟通”并且速度不能太慢的硬件–内存。

CPU是如何计算的？

CPU是负责计算的，那么一定可以想到CPU中是拥有一个计算能力的硬件组成，一般我们把其成为计算单元，它的责任就只有算这一个单调的能力，比如做加法、位移等。但是这依旧存在一个问题，它计算的数据是从哪儿来的？结果需要放到哪儿？

上面介绍过内存解决了数据从哪儿来、存放在哪儿的问题，但是现在又有一个问题，若每次的计算数据都是通过总线去内存中拿，因为内存速度还远比不上CPU的计算速度，这就会导致计算的时间远小于取数据的时间，不能够“榨干”CPU性能，就像人只用了幼儿园的大脑，完全是浪费行为（浪费可耻）。所以，CPU中有了计算的硬件之后，还需要有一个能够跟得上计算能力的存储结构，我们把它叫做数据单元。数据单元其特点就是存取数据飞一般的感觉，用来暂时存放数据和运算结果，其包括了CPU缓存和寄存器组。

好了，现在有了计算能力的计算单元，也有了能跟上计算能力的存储结构数据单元，那么就可以进行计算了…然后怎么去计算呢？也就是说该计算什么不该计算什么呢？所以CPU光有计算单元、数据单元是不能够有效的进行目的性计算的，必须有一个能够控制计算的存在，去控制指挥计算，我们把这个硬件称为控制单元。控制单元负责获取下一条指令并且去执行这条指令。这个指令会指导运算单元取出数据单元中的某些数据进行计算，之后放在数据单元中去。

所以，总的来说CPU分为计算单元（计算能力）、数据单元（存放数据）、控制单元（怎么去计算）三部分组成，并且依靠这三个部分相互合作协调去计算目的指令的值。

CPU与内存的合作

一个程序运行时，会有独立的内存空间，程序会被加载自己的内存中形成代码段，代码段中可以认为存放的是需要执行的指令、指令集，也就是CPU的控制单元需要执行的对象。

程序在运行时，还需要对一些数据进行操作并且会产生一些结果，这些数据都存放在内存的数据段中。

那么问题来了，CPU是如何执行这些指令、操作这些数据、写回结果到内存中呢？

首先指令怎么取？为了解决这个问题，CPU的控制单元中（为什么是控制单元呢？因为其职责就是控制呀）设置了一个指令指针寄存器，里面存放了下一条指令在内存中的地址。这样就可以去内存中将要执行的指令取过来。但是取过来之后放在哪儿呢（不可能是指令指针寄存器了）？CPU的控制单元又提供了一个指令寄存器，用来存放将要执行的指令。

现在有了指令了，那么计算单元怎么去计算呢？这得从这条指令结构说起：要执行的这条指令被分为了两部分，一部分是要做什么操作（计算需求），一部分是要操作什么（数据需求）。所以这条指令会把第一部分交给计算单元去进行计算，将第二部分交给数据单元。

对于一个进程现在已经可以进行CPU运算了，但是当存在多个进程的时候呢？为此，CPU在控制单元中设置了两个寄存器：一个保存当前处理进程的代码段的起始地址，一个保存进程的数据段起始地址。这两个寄存器中写的是A进程的地址就运行的是A进程指令，是B进程的地址就运行的是B进程指令，而这个切换执行指令的行为就是进程切换。

到此，我们发现内存跟CPU之间交互数据都是靠的总线。但是总线传输的数据也可以分为两类：一类是地址数据，也就是想获取内存中哪个位置的数据，这类总线被称为地址总线；一类是内存的真正的数据，这类叫做数据总线。

地址总线确定了CPU可以访问内存的范围有多大，比如地址总线为两位，那么可以访问的地址只有00 01 10 11这四个位置，超过这四个位置的就无法区分了。

数据总线确定了一次能够拿多少个数据进来。比如是两位数据总线，那么一次只能拿两位数进来，若想获取更多的数，必须要更多次数来拿取。

控制单元、计算单元、数据单元的组成

作为一个假装求知若渴的人，我就在想上面介绍的数据单元、控制单元、计算单元到底是什么组成的呢？当然是二极管啊…是直接由二极管组成的吗？还是说由其他寄存器组成？这样想了就去看看⑧

以早期8086处理器为模型. …

首先看看数据单元：

上面说过CPU需要暂存数据，为了达到这个目的芯片设计师在8086处理器中有8个16位的通用寄存器，也就是上上图的CPU中的数据单元，分别是AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。这些寄存器主要就是为了暂存数据。

想想当时计算机CPU的资源多珍贵，而我们的存储的数据不光有16位的，还有一些小数据4位、8位等，因此为了更加充分压榨CPU，就将其中的四个寄存器AX、BX、CX、DX分别分成两个八位寄存器来使用，分别是上面的AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL，其中H表示高位high，L表示地位low。这样长数据端数据都能够暂存了。

接下来是控制单元：

首先是其他寄存器。over

其次，我们主要关注IP（Instruction Pointer）寄存器，它就是上上上（CPU运行图）个图中的控制单元的指令指针寄存器，其指向代码段下一条指令的位置。CPU能够不断的从内存中找到指令就是靠它了，找到之后会加载到CPU的指令队列中（有没有类似的熟悉味道？OS接收缓冲、kafka接收缓冲消息？思想有点儿类似哈），之后交给运算单元去计算执行。这样就保证了一个进程在CPU中的执行，那么多个进程存在的时候怎么办呢？怎么切换呢？

首先，我们知道每个进程都分为代码段和数据段，那么肯定有两个寄存器指向代码段和数据段，也就是CS（代码段寄存器）和DS（数据段寄存器），通过CS可以找到代码在内存中的位置，通过DS可以找到数据在内存中的位置。从上图可知，还有两个寄存器SS、ES。这两个也是段寄存器，带着存在即合理的说法去找找它们“合理的理由”。由于我们程序中存在一种特殊的数据结构—栈，其数据的存取只能从一端进行，为了适应这种特殊的数据存取也就除了相应的寄存器SS（stack register，栈寄存器）。凡是与函数相关的操作，都与栈紧密相关（所以我认为这可能是存在栈寄存器的一个重要原因，未考证求认证）。

从上面知道可以通过DS找到内存中的数据并加载到通用寄存器中，那么是怎么加载的呢？对于一个段（从段寄存器中加载）都有一个段的起始地址，而段的具体位置是一个数据量称之为偏移量（offset）。在DS、CS中都存放着段的起始地址，代码段的偏移量存放在IP寄存器中（所以说IP存放着指令地址），数据段的偏移量放在通用寄存器中。

这里注意有一个问题存在：IP寄存器和通用寄存器都是16位的，但是8086的总线是20位的，那么这里就会“差4位”了，需要怎么凑齐呢？其方法就是“起始地址*16+偏移量”，也就是把CS、DS中的值左移4位变成20位了，再加上16位的偏移量就可以得到20位的数据地址了。所以我们可以知道8086的最大的内存（能区分的地址大小）为2^20=1M，超过这个空间就不能识别了。而一个段因为只有16位，所以一个段的最大地址为2^16=64kb。LOL直接卡死，pass。

32位处理器

计算机发展日新月异，原来的8086处理器早已不能满足各大玩家的需求，相应出来了32位、64位处理器，以32位处理器为例进行说明。

32位的地址总线，可以识别的内存大小为2^32=4G。所以原来的架构是远远不够的了，但是又不能丢弃原来的架构（丢弃了就不兼容，顾客不满意，顾客就是上帝，上帝抛弃你，GG），因此就需要让其兼容原来的20位的地址总线的架构。

首先是8个通用寄存器，可以直接将这八个通用寄存器扩展到32位，但是还是要保留16位、8位的使用方式；而指向下一条指令地址的指令指针寄存器IP也扩展为32位，同样也可以兼容16位的。

而改动比较大的就是段寄存器了。为原来的段寄存器位数，并不是一个段的起始地址，也不是按照8位或16位这样来进行扩展的，而是为了满足地址总线弄了一个20位地址，这样每次都需要左移四位。为了解决这个问题，只能重新进行定义了。首先为了尽可能的兼容，CS、DS、DS、ES仍然是16位的，但是其不再是段的起始地址（左移4位后），其映射的是内存中的一个地址，这个内存中内容称为选择子。段的起始地址就保存在内存这个地方，这个地方是一个表格，表格中的一项是段描述符，也就是真正的段起始地址。这样就是先从段寄存器中拿到一个内存中的表格的一项，再从表格中的一项拿到段起始地址（是不是又是中间层解决问题的思想）。但是这样确实还是不兼容。

我们将前面一种模式（20位地址）称为实模式，后面这种称为保护模式。当32位系统刚刚启动的时候CPU是处于实模式的，这个时候是和原来的20位是兼容的。当需要更多的内存的时候，可以进行模式的切换到32位的保护模式下运行。这样通过切换模式来实现了兼容。

参考：《计算机组成原理》《趣谈Linux操作系统》《UINX高级环境编程》

说明：本文主要是记录自己学习笔记，加深自己理解，有些比喻不太恰当的地方请轻喷。错误的知识请使劲儿。因此本文只做参考与理解