CPU瞞著內存竟干出這種事

還記得我嗎,我是阿Q,CPU一號車間的那個阿Q。

今天忙里偷閑,來到廠里地址翻譯部門轉轉,負責這項工作的小黑正忙得滿頭大汗。

看到我的到來,小黑指著旁邊的座椅示意讓我坐下。

坐了好一會兒,小黑才從工位上忙完轉過身來,“實在不好意思阿Q,今天活太多,沒來得及招待你”

“剛忙什么呢,看你滿頭大汗的”,我問道。

“嗨,別提了,老是發現內存頁面錯誤,不停地要通知操作系統那邊去處理,真是懷念以前啊,沒有這么多破事兒要管”,小黑嘆了口氣。

我一聽來了興趣,“小黑你給我說說你們的工作唄,地址翻譯是怎么一回事兒,為什么懷念以前呢?”

小黑調整了下坐姿,咕嚕咕嚕喝了幾口水說道,“這話說來可就話長了”

接下來小黑開始給我講起了歷史故事······

8086

原來咱們的祖先叫8086,小黑還給我看了他的照片

那是一個純真質樸的年代,雖然工作性能不高,不過那個年代的程序都很簡單,我們的祖先一問世就成為了明星,稱得上那個時代的頂流了。

看到照片中的那些金屬針腳了嗎?那是我們CPU和外界打交道的觸角,每一根都有不同的作用。

通過這些觸角,CPU就可以跟內存打交道,獲取指令和數據,辛勤的干活啦。

那個年代,條件比較差,能湊合的就湊合,能共用的就共用。這不,你看祖先CPU的地址總線針腳和數據總線針腳就共用了。

祖先是一個16位的CPU,數據(Data)總線就有16位,一次性可以傳輸16個比特位。和地址(Address)總線湊合著一起共用,于是就取名AD0-AD15。

不過祖先的地址總線卻不止16個,還多出了A16-A19整整4個呢!這樣有20個地址線,可以尋址1MB的內存了!

但是祖先的寄存器都是16位的啊,只能存放16位的地址。不過他們很聰明,發明了一個叫分段式存儲管理的方法,把內存劃分為最大64KB的小塊,為什么是64KB呢,因為16位地址最多只能尋址這么大了。然后又加了幾個叫做段寄存器的東西,指向這些塊的開頭,這樣,通過段地址+段內偏移地址的方式,就能訪問更多的內存了。

32位時代

后來啊,祖先的那點計算能力越來越捉襟見肘,實在是跟不上時代了。家族中的年輕一代開始挑大梁,80286和80386CPU相繼問世,尤其是80386,成為了劃時代的存在。

到了80386時代,我們與外界通信的引腳就更多了,并且變成了32位的CPU,那個時候,生活條件就變好了,地址線和數據線再也不用共享引腳了。

后來,人類變得越來越貪心,想要一邊聽音樂,一邊還要上網,同時還要編輯文檔,這就同時需要運行多個程序。

這個時候,有人發現了商機,開發了一個叫操作系統的東西,原來那些程序不再直接和我們CPU打交道了,而是和操作系統打交道,操作系統再和我們打交道,中間商賺差價說的就是他們!

操作系統這玩意兒很聰明啊,通過時間片劃分讓我們CPU來輪流執行多個程序,一會兒讓我們執行音樂播放,一會兒讓我們執行瀏覽器程序,一會兒又讓我們執行文檔編輯程序。我們是無所謂啊,給什么代碼不是代碼啊,我們不挑,埋頭苦干就是了。人類的反應速度跟我們就差得遠了,他們還以為這些程序真的是同時執行的呢。

虛擬內存

不過隨之而來出現了一個大問題,這么多程序都要運行,大家擠在一個內存里,經常發生摩擦,沖突不斷。

先祖們為了此事殫精竭慮,終于想出了一個好辦法,一直沿用至今。

他們提出了一個虛擬地址的東西,所有程序使用的地址都是一個虛擬的地址,在真正和內存打交道的時候,咱們CPU內部工作人員再給翻譯成真實的內存地址,關于這事兒,內存那家伙一直被我們蒙在鼓里。

這樣一來,每個程序都可以用的是0x00000000到0xffffffff總共4GB這么大范圍的地址空間,當然不會真的給他們那么多空間,內存那家伙總共才4GB呢,而是要按需申請分配。分配的單元是按照來進行的,32位的CPU一個頁是4KB。這些分配管理的累活就讓操作系統來干了,中間商不能光拿好處不干正事,至于我們CPU,做好地址翻譯的工作就好了。

為此,在我們寄存器內部專門添置了一個新的寄存器CR3,用來指向一個地址翻譯查詢字典,字典劃分了兩級目錄。我們把一個32位的地址劃分了3部分,前面兩部分分別指向兩級目錄中的條目,用來定位這個地址在物理內存的哪個頁面,最后一部分就是指向物理內存頁面的偏移,這樣就完成了地址的翻譯工作。

每個進程有不同的地址空間,切換進程的時候,把CR3的內容換一下就使用新進程的翻譯字典,特別的方便。

我們把這種內存管理方式叫做分頁式內存管理

真佩服先祖們的智慧,這樣巧妙的把各個程序隔離開來,后來我們把這種工作模式叫做保護模式,把之前那種直接使用真實內存地址的工作模式叫做實地址模式

分頁交換

人類變得越來越貪婪,程序變得越來越多,對內存的需求也越來越大。隨著這些程序都不斷申請內存頁面,內存空間很快就要耗盡了。

我們看在眼里,急在心里,后來找操作系統協商,看看這問題該怎么辦。

操作系統那家伙也不賴,想出了一個好辦法。內存的大小有限,但是硬盤給力啊,硬盤空間大的多,去硬盤上劃一塊區域來,把內存里長時間沒有用到的頁面給換到這塊區域里去,然后做個標記。如果后面誰要訪問那個頁面,咱們CPU就檢查如果有這個標記,就發送一個頁錯誤的中斷信號告訴操作系統去把這個頁面換回來。

通過我們之間的配合,解決了內存緊張的危機。后來我們把這個技術叫做內存分頁交換

現在

時間過得很快,到了我們這一輩,內存變得更大了,16GB都是小case,32GB也很常見。

除了內存,我們CPU本身也更先進了,別的不說,你光看看咱們現在的引腳數那比先祖們那幾輩就不可同日而語。

我們不僅從32位變成了64位,還從單核變成了多核,像我所在的CPU就有8個車間,8核并行執行,比起先祖那個年代簡直有云泥之別。

彩蛋

和小黑閑談間,我們車間的老K突然出現在了門口。

“阿Q原來你在這里,讓我好找,趕快回去吧,隔壁二號車間的虎子說我們改了他們的數據,上門來鬧事了······”

預知后事如何,請關注后續精彩······

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posted @ 2020-05-15 14:22  軒轅之風  閱讀(...)  評論(...編輯  收藏
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