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内存&地址
每个内存单元有一个地址，内存地址是从0开始编号的整数，CPU通过地址找到相应的内存单元，取其中的指令或者读写其中的数据。一个地址所对应的内存单元不能存很多东西，只能存一个字节，像int这种多字节的数据类型保存在内存中要占用连续的多个地址，这种情况下数据的地址是它所占内存单元的起始地址。
CPU
CPU在做什么？访问内存、设备等
CPU总是周而复始地做同一件事：从内存取指令，然后解释执行它，然后再取下一条指令，再解释执行。
核心的功能单元：
- 寄存器（Register），是CPU内部的高速存储器，像内存一样可以存取数据，但比访问内存快得多。有些寄存器只能用于某种特定的用途，比如eip用作程序计数器，这称为特殊寄存器，而另外一些寄存器可以用在各种运算和读写内存的指令中，比如eax寄存器，这称为通用寄存器。
- 程序计数器（PC），是一种特殊寄存器，保存着CPU取下一条指令的地址，CPU按程序计数器保存的地址去内存中取指令然后解释执行，这时程序计数器保存的地址会自动加上该指令的长度，指向内存中的下一条指令。
- 指令译码器。CPU取上来的指令由若干个字节组成，这些字节中有些位表示内存地址，有些位表示寄存器编号，有些位表示这种指令做什么操作，是加减乘除还是读写内存，指令译码器负责解释这条指令的含义，然后调动相应的执行单元去执行它。
- 算术逻辑单元（ALU）。如果译码器将一条指令解释为运算指令，就调动算术逻辑单元去做运算，比如加减乘除、位运算、逻辑运算。指令中会指示运算结果保存到哪里，可能保存到寄存器中，也可能保存到内存中。
- 地址和数据总线（Bus）。CPU和内存之间用地址总线、数据总线和控制线连接起来，每条线上有1和0两种状态。
从内存读一个数到寄存器的步骤：
- CPU内部将寄存器对接到数据总线上，使寄存器的每一位对接到一条数据线，等待接收数据。
- CPU通过控制线发一个读请求，并且将内存地址通过地址线发给内存。
- 内存收到地址和读请求之后，将相应的内存单元对接到数据总线的另一端，这样，内存单元每一位的1或0状态通过一条数据线到达CPU寄存器中相应的位，就完成了数据传送。
数据线和CPU寄存器的位数应该一致，另外有些寄存器（比如程序计数寄存器)需要保存一个内存地址，因而地址线和CPU寄存器的位数也应该一致。【注：说的地址线、数据线是指CPU的内总线，是直接和CPU的执行单元相连的，内总线经过MMU和总线接口的转换之后引出到芯片引脚才是外总线，外地址线和外数据线的位数都有可能和内总线不同，】
CPU取指执行过程
上图中过程：
- eip寄存器指向地址0x80483a2，CPU从这里开始取一条5个字节的指令，然后eip寄存器指向下一条指令的起始地址0x80483a7。
- CPU对这5个字节**(指令)译码**，得知这条指令要求从地址0x804a01c开始取4个字节保存到eax寄存器。
- 执行指令，读内存，取上来的数是3，保存到eax寄存器。注意，地址0x804a01c~0x804a01f里存储的四个字节不能按地址从低到高的顺序看成0x03000000，而要按地址从高到低的顺序看成0x00000003。也就是说，对于多字节的整数类型，低地址保存的是整数的低位，这称为小端字节序。x86平台是小端字节序的，而另外一些平台规定低地址保存整数的高位，称为大端字节序。
- CPU从eip寄存器指向的地址取一条3个字节的指令，然后eip寄存器指向下一条指令的起始地址0x80483aa。
- CPU对这3个字节译码，得知这条指令要求把eax寄存器的值加1，结果仍保存到eax寄存器。
- 执行指令，现在eax寄存器中的数是4。
- CPU从eip寄存器指向的地址取一条5个字节的指令，然后eip寄存器指向下一条指令的起始地址0x80483af。
- CPU对这5个字节译码，得知这条指令要求把eax寄存器的值保存到从地址0x804a018开始的4个字节。
- 执行指令，把4这个值保存到从地址0x804a018开始的4个字节（按小端字节序保存）。
设备
设备与CPU间的连接
有些设备像内存芯片一样连接到处理器的地址总线和数据总线，正因此地址线和数据线才叫“总线”。
不同的设备和内存芯片应该占不同的地址范围，访问这种设备就像访问内存一样，按地址读写即可，但和访问内存不同的是，往一个地址写数据只是给设备发一个命令，数据不一定要保存，而从一个地址读数据也不一定是读先前保存在这个地址的数据，而是得到设备的当前状态。设备中可供读写访问的单元通常称为设备寄存器（注意和CPU寄存器不是一回事）:操作设备的过程就是读写这些设备寄存器的过程，比如向串口发送寄存器里写数据，串口设备就会把数据发送出去，读串口接收寄存器的值，就可以读取串口设备接收到的数据。
有一些设备集成在处理器芯片中。
在上图中，从CPU核引出的地址和数据总线有一端经总线接口引出到芯片引脚上了，还有一端没有引出，而是接到芯片内部集成的设备上，无论是在CPU外部接总线的设备还是在CPU内部接总线的设备都有各自的地址范围，都可以像访问内存一样访问，很多体系结构（eg:ARM）采用这种方式操作设备，称为内存映射I/O。但是x86比较特殊，x86对于设备有独立的端口地址空间，CPU核需要引出额外的地址线来连接片内设备（和访问内存所用的地址线不同），访问设备寄存器时用特殊的in/out指令，而不是和访问内存用同样的指令，这种方式称为端口I/O。
从CPU的角度来看，访问设备只有内存映射I/O和端口I/O两种，要么像内存一样访问，要么用一种专用的指令访问。【其实访问设备是相当复杂的，计算机的设备五花八门，各种设备的性能要求都不一样,这些设备总线并不直接和CPU相连。CPU通过内存映射I/O或端口I/O访问相应的总线控制器，通过总线控制器再去访问挂在总线上的设备。所以图中的“设备”可能是实际的设备，也可能是设备总线的控制器。】
在x86平台上，硬盘是挂在IDE、SATA或SCSI总线上的设备，保存在硬盘上的程序是不能被CPU直接取指令执行的，操作系统在执行程序时会把它从硬盘拷贝到内存，这样CPU才能取指令执行，这个过程称为加载。程序加载到内存之后，成为操作系统调度执行的一个任务，就称为进程。注意：进程和程序不是一一对应的。一个程序可以多次加载到内存，成为同时运行的多个进程！！！！
操作系统本身也是一段保存在磁盘上的程序，计算机在启动时执行一段固定的启动代码首先把操作系统从磁盘加载到内存，然后执行操作系统中的代码把用户需要的其它程序加载到内存。
操作系统和其它用户程序的不同之处在于：操作系统是常驻内存的，而其它用户程序则不一定，用户需要运行哪个程序，操作系统就把它加载到内存，用户不需要哪个程序，操作系统就把它终止掉，释放它所占的内存。操作系统最核心的功能是管理进程调度、管理内存的分配使用和管理各种设备，做这些工作的程序称为内核（Kernel），它在计算机启动时加载到内存并常驻内存。
访问设备还有一点和访问内存不同：内存只是保存数据而不会产生新的数据，如果CPU不去读它，它也不需要主动提供数据给CPU，所以内存总是被动地等待被读或者被写。而设备往往会自己产生数据，并且需要主动通知CPU来读这些数据，例如敲键盘产生一个输入字符，用户希望计算机马上响应自己的输入，需要键盘设备主动通知CPU来读这个字符并做相应处理，给用户响应。这是由中断机制实现的，每个设备都有一条中断线，通过中断控制器连接到CPU，当设备需要主动通知CPU时就引发一个中断信号，CPU正在执行的指令将被打断，程序计数器会指向某个固定的地址（这个地址由体系结构定义），于是CPU从这个地址开始取指令（或者说跳转到这个地址），执行中断服务程序（ISR），完成中断处理之后再返回先前被打断的地方执行后续指令。
由于各种设备的操作方法各不相同，每种设备都需要专门的设备驱动程序，一个操作系统为了支持广泛的设备就需要有大量的设备驱动程序，事实上Linux内核源代码中绝大部分是设备驱动程序。设备驱动程序通常是内核里的一组函数，通过读写设备寄存器实现对设备的初始化、读、写等操作，有些设备还要提供一个中断处理函数供ISR调用。
MMU
现代操作系统普遍采用虚拟内存管理机制，这需要处理器中的MMU（Memory Management Unit，内存管理单元）提供支持。通常情况下，操作系统又把虚拟地址划分为用户空间和内核空间。
MMU对于处理器的影响：
- 如果处理器没有MMU，或者有MMU但没有启用，CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上，被内存芯片（物理内存）接收，这称为物理地址。
- 如果处理器启用了MMU，CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址，而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上，也就是将虚拟地址映射成物理地址，MMU的映射以页为单位的<页的解释在温故而知新篇>。
操作系统和MMU是这样配合的：
- 操作系统在初始化或分配、释放内存时会执行一些指令在物理内存中填写页表，然后用指令设置MMU，告诉MMU页表在物理内存中的什么位置。
- 设置好之后，CPU每次执行访问内存的指令都会自动引发MMU做查表和地址转换操作，地址转换操作由硬件自动完成，不需要用指令控制MMU去做。
程序中使用的变量和函数都有各自的地址，程序被编译后，这些地址就成了指令中的地址，指令中的地址被CPU解释执行，就成了CPU执行单元发出的内存地址，所以在启用MMU的情况下，程序中使用的地址都是虚拟地址，都会引发MMU做查表和地址转换操作。
MMU除了做地址转换之外，还提供内存保护机制。各种体系结构都有用户模式和特权模式之分，操作系统可以在页表中设置每个内存页面的访问权限，有些页面不允许访问，有些页面只有在CPU处于特权模式时才允许访问，有些页面在用户模式和特权模式都可以访问，访问权限又分为可读、可写和可执行三种。这样设定好之后，当CPU要访问一个虚拟地址时，MMU会检查CPU当前处于用户模式还是特权模式，访问内存的目的是读数据、写数据还是取指令，如果和操作系统设定的页面权限相符，就允许访问，把它转换成物理地址，否则不允许访问，产生一个异常。异常的处理过程和中断类似，不同的是中断由外部设备产生而异常由CPU内部产生，中断产生的原因和CPU当前执行的指令无关，而异常的产生就是由于CPU当前执行的指令出了问题，例如访问内存的指令被MMU检查出权限错误，除法指令的除数为0等都会产生异常。
用户程序加载到用户空间，在用户模式下执行，不能访问内核中的数据，也不能跳转到内核代码中执行。这样可以保护内核，如果一个进程访问了非法地址，顶多这一个进程崩溃，而不会影响到内核和整个系统的稳定性。CPU在产生中断或异常时不仅会跳转到中断或异常服务程序，还会自动切换模式，从用户模式切换到特权模式，因此从中断或异常服务程序可以跳转到内核代码中执行。事实上，整个内核就是由各种中断和异常处理程序组成的。在正常情况下处理器在用户模式执行用户程序，在中断或异常情况下处理器切换到特权模式执行内核程序，处理完中断或异常之后再返回用户模式继续执行用户程序。
段错误的产生：
- 用户程序要访问的一个虚拟地址，经MMU检查无权访问。
- MMU产生一个异常，CPU从用户模式切换到特权模式，跳转到内核代码中执行异常服务程序。
- 内核把这个异常解释为段错误，把引发异常的进程终止掉
Memory Hierarchy
现代计算机都把存储器分成若干级，称为Memory Hierarchy，按照离CPU由近到远的顺序依次是CPU寄存器、Cache、内存、硬盘，越靠近CPU的存储器容量越小但访问速度越快。
总结：
- 寄存器、Cache和内存中的数据都是掉电丢失的，这称为易失性存储器，与之相对的，硬盘是一种非易失性存储器。
- 除了访问寄存器由程序指令直接控制之外，访问其它存储器都不是由指令直接控制的，有些是硬件自动完成的，有些是操作系统配合硬件完成的。
- Cache从内存取数据时会预取一个Cache Line缓存起来，操作系统从硬盘读数据时会预读几个页面缓存起来，都是希望这些数据以后会被程序访问到。大多数程序的行为都具有局部性的特点：它们会花费大量的时间反复执行一小段代码（例如循环），或者反复访问一个很小的地址范围中的数据（例如访问一个数组）。所以预读缓存的办法是很有效的：CPU取一条指令，我把和它相邻的指令也都缓存起来，CPU很可能马上就会取到；CPU访问一个数据，我把和它相邻的数据也都缓存起来，CPU很可能马上就会访问到。
设想有两台计算机，一台有256KB的Cache，另一台没有Cache，两台计算机的内存都是512MB的，硬盘都是100GB的，虽然多出来256KB的Cache与内存、硬盘的容量相比微不足道，但访问Cache比访问内存、硬盘快几个数量级。
由于局部性原理，CPU大部分时间是在和Cache打交道，有Cache的计算机明显会快很多。高速存储器的容量只能做得很小，却能显著提升计算机的性能，这就是Memory Hierarchy的意义所在。
