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PC 硬件

本文介绍供 x86 运行的个人计算机(PC)硬件平台。

PC 是指遵守一定工业标准的计算机,它的目标是使得不同厂家生产的机器都能够运行一定范围内的软件。这些标准随时时间迁移不断变化,因此90年代的 PC 与今日的 PC 看起来已是大不相同。

从外观来看,PC 是一个配置有键盘、屏幕和各种设备的“盒子”。盒子内部则是一块集成电路——主板,上面有 CPU 芯片,内存芯片,显卡芯片,I/O 控制器芯片,以及负责芯片间通信的总线。总线会遵守某种标准(如 PCI 或 USB),从而能够兼容不同厂家的设备。

我们可以把 PC 抽象为三部分:CPU、内存和 I/O 设备。CPU 负责计算,内存用于保存计算用的指令和数据,其他设备用于实现存储、通讯等其他功能。

你可以想象主存以一组导线与 CPU 相连接,其中一些是地址线,一些是数据线,还有一些则是控制线。CPU 要从主存读出一个值,需要向地址线上输出一系列表示0和1的电压,并在规定的时间内在 “读” 线上发出信号1,接下来再从数据线上的高低电压中获取数据。CPU 若要向内存中写入一个值,则向数据线和地址线上写入合适的值,并在规定时间内在 “写” 位上发出信号1.真实的内存接口比这复杂的多,但除非你是在追求高性能,否则你不必考虑这么多的细节。

处理器和内存

CPU(中央处理单元,或处理器)其实只是在执行一个非常简单的循环:从一个被称为『程序计数器』的寄存器中获取一个内存地址,从个地址读出机器指令,增加程序计数器的值,执行机器指令,不断反复。某些机器指令如分支和函数调用会改变程序计数器,如果执行机器指令没有改变程序计数器,这个循环就会从程序计数器开始一条一条地执行指令。

如果不能保存和修改程序数据,那么执行指令就是毫无意义的。速度最快的数据存储器是处理器的寄存器组。一个寄存器是处理器内的一个存储单元,能够保存一个字大小的值(按照机器不同,一个字通常会是16,32或者64位)。寄存器内的值能在一个 CPU 周期内被快速地读写。

PC 处理器实现了 x86 指令集,该指令集由 Intel 发布并成为了一种标准,一些产商生产实现了该指令集的处理器。和其他的 PC 标准一样,这个标准也在不断更新,但是新的标准是向前兼容的。由于 PC 处理器启动时都是模拟1981年 IBM PC 上使用的芯片 Intel 8088,所以 boot loader 需要作出改变以应对标准的更新。但是,对于 xv6 的绝大部分内容,你只需要关心现代 x86 指令集。

现代 x86 提供了8个32位通用寄存器–%eax, %ebx, %ecx, %edx, %edi, %esi, %ebp, %esp 和一个程序计数器 %eipinstruction pointer)。前缀e是指扩展的extended),表示它们是16位寄存器%ax, %bx, %cx, %dx, %di, %si, %bp, %sp 的32位扩展。这两套寄存器其实是相互的别名,例如 %ax%eax 的低位:我们在写 %ax 的时候也会改变 %eax,反之亦然。前四个寄存器的两个低8位还有自己的名字:%al, %ah 分别表示 %ax 的低8位和高8位,%bl, %bh, %cl, %ch, %dl, %dh同理。另外,x86 还有8个80位的浮点寄存器,以及一系列特殊用途的寄存器如控制寄存器 %cr0, %cr2, %cr3, %cr4调试寄存器 %dr0, %dr1, %dr2, %dr3;段寄存器 %cs, %ds, %es, %fs, %gs, %ss;还有全局和局部描述符表的伪寄存器%gdtr, %ldtr。控制寄存器和段寄存器对于任何操作系统都是非常重要的。浮点寄存器和调试寄存器则没那么有意思,并且也没有在 xv6 中使用。

寄存器非常快但是也非常昂贵。大多数处理器都会提供至多数十个通用寄存器。下一个层次的存储器是随机存储器(RAM)。主存的速度大概比寄存器慢10到100倍,但要便宜得多,所以容量可以更大。主存较慢的一个原因是它不在处理器芯片上。一个 x86 处理器只有十多个寄存器,但今天的 PC 通常有 GB 级的主存。由于寄存器和主存在读写速度和大小上的巨大差异,大多数处理器,包括 x86,都在芯片上的缓存中保存了最近使用的主存数据。缓存是主存和寄存器在速度和大小上的折衷。现在的 x86 处理器通常有二级缓存,第一级较小,读写速率接近处理器的时钟周期,第二级较大,读写速率在第一级缓存和主存之间。下表显示了 Intel Core 2 Duo 系统的实际数据:

Intel Core 2 Duo E7200 at 2.53 GHz 备忘:换上真实数字!

存储器 读写时间 大小
寄存器 0.6ns 64 字节
L1缓存 0.5ns 64K 字节
L2缓存 10ns 4M 字节
主存 100ns 4G 字节

通常 x86 对操作系统隐藏了缓存,所以我们只需要考虑寄存器和主存两种存储器,不用担心主存的层次结构引发的差异。

I/O

处理器必须像和主存交互一样同设备交互。x86 处理提供了特殊的 in, out 指令来在设备地址(称为’I/O 端口’) 上读写。这两个指令的硬件实现本质上和读写内存是相同的。早期的 x86 处理器有一条附加的地址线:0表示从 I/O 端口读写,1则表示从主存读写。每个硬件设备会处理它所在 I/O 端口所接收到的读写操作。设备的端口使得软件可以配置设备,检查状态,使用设备;例如,软件可以通过对 I/O 端口的读写,使磁盘接口硬件对磁盘扇区进行读写。

很多计算机体系结构都没有单独的设备访问指令,取而代之的是让设备拥有固定的内存地址,然后通过内存读写实现设备读写。实际上现代 x86 体系结构就在大多数高速设备上(如网络、磁盘、显卡控制器)使用了该技术,叫做 内存映射 I/O。但由于向前兼容的原因,in, out 指令仍能使用,而比较老的设备如 xv6 中使用的 IDE 磁盘控制器仍使用两个指令。