Linux核心筆記001 - Intel X86 CPU 系列的定址方式

jmpcall發表於2020-05-12
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1. 段暫存器

  Linux核心筆記001 - Intel X86 CPU 系列的定址方式
    上圖是Intel X86系列的CPU，在Pentium之前的發展過程：
  • 4004：8位CPU
  • 8086~80286：16位CPU，即邏輯運算單元（ALU）的位數為16，但地址匯流排為20位，另外80286開始支援保護模式，但只支援真實模式到保護模式的單向切換
  • 80386：32位CPU， ALU為32位，地址匯流排也設計成32位了
    我有個自我認識，就是在學習的時候，比較喜歡鑽牛角尖，比如我就為這些問題糾結過：
  • 8086為什麼要把地址匯流排設計成20位？
  • 地址匯流排既然可以設計成20位，為什麼不設計成32位？
  • 地址匯流排可以設計成20位，為什麼不把ALU也設計成20位？
  • 等等..
    導致本來的目的是學習核心，結果差點被這些不相關的問題嚇跑了。不過應該會有人比我更有這種性格：在第一章即使被不相關的問題卡住，也絕不繼續學第二章！確實，自學一樣很難的東西時，需要有這種性格，有時候只有逼著自己更加深入的去體會，才能推翻之前的錯覺，然後很多東西都也隨之豁然開朗了；但如果過於執著，就變成鑽牛角尖了，核心中凝聚了非常多抽象和複雜的設計，很多時候不是按照順序學習一遍，就能明白ABC，而是要一知半解的重複著ABC、ACB、BCA、..，這樣去學習。

    特別是有些明顯偏離學習目標的問題，要懂得放下，或者猜個差不多的答案，安撫下自己的牛脾氣就可以了。比如以上問題我猜測的原因是：
  • 地址匯流排設計成16位，只能支援64KB的記憶體，已經不滿足當時計算機使用者的需求了
  • 定址能力大了，主機板上實際用於儲存的電晶體也要相應多才行，但當時的CPU製作工藝水平還有限
  • ALU涉及到的電路複雜，不能像地址匯流排一樣擴充套件成20位
    以上是我學習核心的一點感受，接下來介紹正題：

1.1. 段暫存器誕生的原因

    地址值經常要參與運算，比如指令跳轉時，要加偏移值，而8086 CPU中，ALU是16位，沒辦法一次性運算20位的地址值，所以設計了段暫存器，20位地址由兩個16位的儲存單元儲存，並且透過"段暫存器*16+段偏移"，可以計算得到20位的實際地址。

1.2. 段暫存器為什麼不只設計成4位

    4位只能指定2^4個段基址，1MB空間只能被劃分為0-64KB、64KB-128KB、..、960KB-1MB這樣的16個段，每個段64KB，而16位可以指定2^16個段基址，從離每個段開始很近的地方，就可以指定為另外一個段，可以為每個程式安排自己獨立的段，記憶體佈局整體上會更靈活和更清晰。
    其實，以上所有亂七八糟的問題和理解都不重要，重要的只有一個：段暫存器本質上是為了解決ALU和地址匯流排位數不一致的問題。

2. 80386 CPU


2.1. 真實模式、保護模式


    真實模式和保護模式，指的是CPU硬體的不同狀態，就像《秦時明月》中天明拿的"非攻"一樣，它是墨家打造的一件多功能兵器，可以變換成不同的形狀，同樣一塊黑鐵，在不同形狀下，用途也不同。同樣的，CPU內部的一些元件，在真實模式和保護模式下，作用可能也不相同。
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2.2. 80386的選擇

  • 保留段暫存器
        80386的ALU和地址匯流排都是32位，按道理段暫存器在80386中就沒有存在的意義了，但是為了相容之前的CPU，必須保留段暫存器，否則可以在之前的CPU執行的程式，到80386上就執行不了了，因為它連段暫存器都沒有。
  • 基於段暫存器實現保護模式
         80386除了考慮相容，還要擴充套件一個重要的特性，就是支援保護模式。還是拿"非攻"舉例， "非攻"中的所有器材，在各種形態下，都會發揮作用，這叫物盡其用，特別對於CPU來說，如果切換到保護模式，段暫存器就空閒在一旁不起任何作用，一方面從製作工藝的角度不允許，因為CPU中每一寸空間都很寶貴，另一方面從生產成本上也不允許，資產家希望花了成本做出來的東西，要竭其所能的工作，不能閒著。
       結論：Intel工程師不能在80386中丟棄段暫存器，同時對保護模式的設計思路，還得想辦法把段暫存器用上。

3. 保護模式下的段式管理


3.1. 特權指令

    Linux作業系統以及系統中執行的一些管理平臺程式，都有使用者管理的功能，並且有root使用者、普通使用者之分，這些都是透過純軟體的設計實現的。特權指令、非特權指令針對的是硬體層面，特權指令就是指，在保護模式下，標誌暫存器中的某些位是1，才能執行，否則就讓執行這條指令的程式異常退出。
    比如我記得很小的時候，有些腳踏車剛買回來，就自帶一把鎖，同樣是"騎"這個動作，如果鎖是開的，就能騎走，如果鎖是關的，就騎不走，這就是透過硬體的設計，可以導致同一條指令執行結果不同的道理。
    為了新增保護模式，80386相應的新增了一些暫存器和特權指令，由於是新增的，以及"權"的資訊怎麼存、怎麼使用，都不用考慮對低型號CPU的相容性問題。

3.2. 保護模式下段暫存器含義

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    類似於"非攻"中元件，在不同形態中可以設計為完全不同的作用，段暫存器在保護模式中，也已經不再跟真實模式一樣純粹指向一個段基址了，而是設計成上圖中的結構：
  • 高13位：描述符表索引/陣列下標（詳見筆記3.4節）
  • TI位：標識使用GDTR指向的描述符表，還是LDTR指向的描述符表（詳見筆記3.4節）
  • 最低2位：RPL(Request Privilege Level) ，相關概念還有DPL（Descriptor Privilege Level） 、CPL（Current Privilege Level），含義都由硬體設計定義，用於實現特權指令，軟體設計要遵守硬體的規範（詳見筆記3.4節）

3.3. 段選擇子

    GDTR和LDTR是80386新增的暫存器，分別用於指向全域性描述符表和區域性描述符表，這樣，段暫存器的TI位用於表明使用哪個表，再配合高13位的索引，就可以指定一個描述符。
    描述符的結構為：
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  • B31~B24 + B23~B16 + B15~B0：段基址，共32位
  • L19~L16、L15~L0：段長度，共20位
  • G：0=段長度單位為1，1=段長度單位為4KB
  • D：存取記憶體預設大小，0=16位，1=32位（暫時不用理解，opcode 66H字首可以切換指令存取記憶體的預設大小）
  • A：是否可供系統軟體使用（暫時不用理解）
  • P + DPL + S + type：
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  • P：是否在記憶體中（暫時不用理解，用於實現"交換分割槽"功能）
  • DPL：本段特權（詳見筆記3.4節）
  • S：0=系統描述符（比如指向任務狀態段TTS），1=程式碼或資料段描述符（暫時不用理解）
  • E：0=資料段，1=程式碼段（暫時不用理解）
  • D(E=0)：0=堆區，1=棧區；C(E=1)：0=忽視特權級，1=遵守特權級（暫時不用理解）
  • W(E=0)：0=不可寫，1=可寫；R(E=1)：0=不可讀，1=可讀（暫時不用理解）
  • A：CPU任何一次訪問該描述符指向的段，都會透過硬體層的邏輯，將A設定為1（暫時不用理解，用於選擇換出到交換分割槽的段）
    這個結構中的大部分成員，隨著後面的學習，都會逐個接觸到，那麼除了暫時不用理解的，就只剩下段基址、段長度了。很多人都會有疑問，為什麼它們的位都不連續？那是因為Intel最初設計的80386只支援24位定址（B23~B16 + B15~B0），後來很快又不滿足需求了，又將定址位數擴充套件到了32位。

3.4. 段式定址過程

    CPU內部是非常複雜的電路邏輯，如果按照軟體的思維，把段式定址這套電路邏輯理解成一個介面，那麼段暫存器、GDTR/LDTR暫存器就是引數。
    當軟體設定好這些引數後，CPU的硬體執行過程是這樣：
    ① 對比CPL和段暫存器中的"RPL"，判斷是否越權；
    ② 根據段暫存器中的TI位，載入全域性或區域性描述符表；
    ③ 根據段暫存器中的描述符表索引，載入指定的描述符；
    ④ 對比描述符中的"段長度"和指令中的"邏輯地址"，判斷是否越界；
    ⑤ 對比描述符中的"DPL"和段暫存器中的"RPL"，判斷是否越權；
    ⑥ 訪問描述符中"段基址"+指令中"邏輯地址"得到的實體地址。

3.5. 平坦(Flat)地址

    其實，80386後來又支援了另外一種更先進的記憶體管理：頁式記憶體管理。而且類似於不能丟棄段暫存器，還要基於段暫存器設計保護模式，它的頁式記憶體管理，又是基於段式記憶體管理設計的，從而導致很多學習這款CPU的人很討厭它，但是如果完整的瞭解過Intel CPU的發展過程後，自然就認為情有可原了。
    頁式記憶體管理，和段式記憶體管理，本來是兩個相互獨立的管理方式，但是Intel新增頁式記憶體管理的時候，80386已經發布過一段時間了，仍然是考慮到相容性等問題，使得它必須先執行完段式定址，才能進行頁式定址，目前，學習還只是剛開始，只瞭解了80386定址相關的硬體特性，可能還理解不了這個特點意味著什麼，後期學習到書本的第2.1節"Linux記憶體管理的基本框架"時，自然就能體會到了。

總結

    本篇筆記，記錄了段式定址過程，過程本身很簡單，但是涉及到的一些設計思維很抽象。 我剛接觸計算機時，覺得它很神秘，像人一樣，能"播放"音樂給我聽，能"回答"我搜尋的問題，導致我差點都不敢去探索它，不過我想，天才都已經把它從無到有製造出來了，我只是去學習一個已經存在的東西，還要畏懼嗎？開啟開關，燈就亮了，踩下腳踏車，輪子就轉了，這些簡單的物理反應，我習以為常，點選"播放"，電腦發出聲音，難道不就是一個更復雜的物理反應而已嘛。

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