還記得我嗎，我是阿Q，CPU一號車間的那個阿Q。
今天忙裡偷閒，來到廠裡地址翻譯部門轉轉，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”
“剛忙什麼呢，看你滿頭大汗的”，我問道。
“嗨，別提了，老是發現記憶體頁面錯誤，不停地要通知作業系統那邊去處理，真是懷念以前啊，沒有這麼多破事兒要管”，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，地址翻譯是怎麼一回事兒，為什麼懷念以前呢？”
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
原來我們們的祖先叫8086，小黑還給我看了他的照片
那是一個純真質樸的年代，雖然工作效能不高，不過那個年代的程式都很簡單，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就可以跟記憶體打交道，獲取指令和資料，辛勤的幹活啦。
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的地址匯流排針腳和資料匯流排針腳就共用了。
祖先是一個16位的CPU，資料(Data)匯流排就有16位，一次性可以傳輸16個位元位。和地址(Address)匯流排湊合著一起共用，於是就取名AD0-AD15。
不過祖先的地址匯流排卻不止16個，還多出了A16-A19整整4個呢！這樣有20個地址線，可以定址1MB的記憶體了！
但是祖先的暫存器都是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儲存管理的方法，把記憶體劃分為最大64KB的小塊，為什麼是64KB呢，因為16位地址最多隻能定址這麼大了。然後又加了幾個叫做段暫存器的東西，指向這些塊的開頭，這樣，通過段地址+段內偏移地址的方式，就能訪問更多的記憶體了。
32位時代
後來啊，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樑，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，我們與外界通訊的引腳就更多了，並且變成了32位的CPU，那個時候，生活條件就變好了，地址線和資料線再也不用共享引腳了。
後來，人類變得越來越貪心，想要一邊聽音樂，一邊還要上網，同時還要編輯文件，這就同時需要執行多個程式。
這個時候，有人發現了商機，開發了一個叫作業系統的東西，原來那些程式不再直接和我們CPU打交道了，而是和作業系統打交道，作業系統再和我們打交道，中間商賺差價說的就是他們！
作業系統這玩意兒很聰明啊，通過時間片劃分讓我們CPU來輪流執行多個程式，一會兒讓我們執行音樂播放，一會兒讓我們執行瀏覽器程式，一會兒又讓我們執行文件編輯程式。我們是無所謂啊，給什麼程式碼不是程式碼啊，我們不挑，埋頭苦幹就是了。人類的反應速度跟我們就差得遠了，他們還以為這些程式真的是同時執行的呢。
虛擬記憶體
不過隨之而來出現了一個大問題，這麼多程式都要執行，大家擠在一個記憶體裡，經常發生摩擦，衝突不斷。
先祖們為了此事殫精竭慮，終於想出了一個好辦法，一直沿用至今。
他們提出了一個虛擬地址的東西，所有程式使用的地址都是一個虛擬的地址，在真正和記憶體打交道的時候，我們們CPU內部工作人員再給翻譯成真實的記憶體地址，關於這事兒，記憶體那傢伙一直被我們矇在鼓裡。
這樣一來，每個程式都可以用的是0x00000000到0xffffffff總共4GB這麼大範圍的地址空間，當然不會真的給他們那麼多空間，記憶體那傢伙總共才4GB呢，而是要按需申請分配。分配的單元是按照頁來進行的，32位的CPU一個頁是4KB。這些分配管理的累活就讓作業系統來幹了，中間商不能光拿好處不幹正事，至於我們CPU，做好地址翻譯的工作就好了。
為此，在我們暫存器內部專門添置了一個新的暫存器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實體記憶體的哪個頁面，最後一部分就是指向實體記憶體頁面的偏移，這樣就完成了地址的翻譯工作。
每個程式有不同的地址空間，切換程式的時候，把CR3的內容換一下就使用新程式的翻譯字典，特別的方便。
我們把這種記憶體管理方式叫做分頁式記憶體管理。
真佩服先祖們的智慧，這樣巧妙的把各個程式隔離開來，後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記憶體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，程式變得越來越多，對記憶體的需求也越來越大。隨著這些程式都不斷申請記憶體頁面，記憶體空間很快就要耗盡了。
我們看在眼裡，急在心裡，後來找作業系統協商，看看這問題該怎麼辦。
作業系統那傢伙也不賴，想出了一個好辦法。記憶體的大小有限，但是硬碟給力啊，硬碟空間大的多，去硬碟上劃一塊區域來，把記憶體里長時間沒有用到的頁面給換到這塊區域裡去，然後做個標記。如果後面誰要訪問那個頁面，我們們CPU就檢查如果有這個標記，就傳送一個頁錯誤的中斷訊號告訴作業系統去把這個頁面換回來。
通過我們之間的配合，解決了記憶體緊張的危機。後來我們把這個技術叫做記憶體分頁交換。
現在
時間過得很快，到了我們這一輩，記憶體變得更大了，16GB都是小case，32GB也很常見。
除了記憶體，我們CPU本身也更先進了，別的不說，你光看看我們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核並行執行，比起先祖那個年代簡直有云泥之別。
彩蛋
和小黑閒談間，我們車間的老K突然出現在了門口。
“阿Q原來你在這裡，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資料，上門來鬧事了······”
預知後事如何，請關注後續精彩······
往期熱門回顧
