计算机程式的Bug千奇百怪，要想能顺利的解决疑难杂症，必须对计算机的底层原理非常熟悉。比如在实际生产中不光我们的应用会出问题，操作系统也可能有Bug，硬件也可能有Bug。因此，只有更加深入的理解了原理，才能更加方便我们解决问题。

本文对计算机的体系结构底层原理进行简要的介绍。这些知识对于帮助我们解决疑难问题会有很大的帮助。做程式开发应该深入原理，不仅要知其然，还要知其所以然。

计算机的工作模式

对于一个计算机来说，最核心的是CPU，CPU是计算机的大脑，所有装置都围绕其展开CPU通过总线（Bus）与其他装置连线，在这些装置中，最为重要的是内存（Memory）单靠CPU是无法完成计算任务的，很多复杂的计算任务都需要将中间结果储存下来，然后基于中间结果进行下一步的计算CPU和内存是完成计算的核心元件CPU本身无法储存这么多的中间结果，因此需要依赖于内存

CPU

计算过程

2. 程序开始执行，会有独立的内存空间，相互隔离但不连续 - 程式会分别载入到程序A和程序B的内存空间里面，形成各自的程式码段

3. 程式在执行过程中要操作的资料和产生的计算结果，都会放在资料段（内存）里

4. 在CPU的控制单元里面，有一个指令指标暂存器，记录的是下一条指令在内存中的地址 - 控制单元会不停地将程式码段的指令拿进来，先放入指令暂存器

5. 指令的组成部分：做什么操作 + 操作哪些资料 - 要执行指令，需要将第一部分交给运算单元，将第二部分交给资料单元

6. 资料单元根据资料的地址，从资料段里读取资料到资料暂存器，最终会有指令将资料写回到内存中的资料段

7. CPU里有两个暂存器，专门储存当前处理程序的程式码段起始地址和资料段起始地址，图中的当前程序为程序A

8. CPU和内存通过总线传输资料，总线上有两类资料 - 地址总线（Address Bus）：地址资料，位数决定了能访问的地址有多广 - 资料总线（Data Bus）：真正的资料，位数决定了一次效能拿多少资料

x86架构

8086的原理

通用暂存器

为了暂存资料，8086处理器内部有8个16位的通用暂存器，属于CPU内部的资料单元分别是AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI和DI其中AX、BX、CX和DX可以分成两个8位的暂存器来使用，其中H就是High，L就是Low这样，比较长的资料也能暂存，比较短的资料也能暂存控制单元

IP暂存器（Instruction Pointer Register）即指令指标暂存器- 指向程式码段中下一条指令的位置

- CPU会根据IP暂存器不断地将指令从内存的程式码段中，载入到CPU的指令伫列中，然后交给运算单元去执行

切换程序- 每个程序都分为程式码段和资料段

- 为了指向不同程序的地址空间，有4个16位的段暂存器，分别是CS、DS、SS和ES

CS（Code Segment Register）是程式码段暂存器，通过它可以找到程式码在内存中的位置DS（Data Segment Register）是资料段暂存器，通过它可以找到资料在内存中的位置SS（Stack Segment Register）是栈暂存器，但凡与函式呼叫相关的操作，都与栈紧密相关- A呼叫B，B呼叫C

- 当A呼叫B的时候，要执行B函式的逻辑，因而A执行的相关资讯会被push到栈里

- 当B呼叫C的时候，同理，B执行的相关资讯会被push到栈里，然后才执行C函式的逻辑

- 当C执行完毕后，先pop出来的是B，B接着呼叫C函式之后的指令执行下去

- B执行完毕后，再pop出来的是A，A接着执行，直至结束

载入内存资料

如果需要载入内存中的资料，可以通过DS找到内存中的资料，载入到通用暂存器对于一个段，有一个起始地址，而段内的具体位置，称为偏移量CS和DS都存放着一个段的起始地址程式码段的偏移量放在IP暂存器资料段的偏移量放在通用暂存器CS和DS都是16位的（起始地址），IP暂存器和通用暂存器也都是16位的（偏移量），但8086的地址总线是20位的凑20位：起始地址 无论真正的内存有多大，对于只有20位地址总线的8086来说，能够区分的地址也就2^20=1M（定址单位为Byte）如果想访问1M+X的地方，在总线上超过20位的部分根本发不出去，最后访问的还是1M内的X位置偏移量只有16位的，所以一个段的最大大小为2^16=64K因此对于8086的CPU来说，最多只能访问1M的内存空间，还要分成多个段，每个段最大为64K

32位处理器

1. 通用暂存器 - 将8个16位的通用暂存器扩充套件到8个32位的通用暂存器，但依然保留16位和8位的使用方式 - 高16位不能分成两个8位使用，因为这是不相容的

2. IP暂存器 - 指向下一条指令的指令指标暂存器IP，会扩充套件成32位的，同样相容16位

3. 段暂存器（Segment Register） - CS、DS、SS和ES仍然是16位，但不再是段的起始地址，段的起始地址放在内存的某个地方（表格）

- 表格中的一项是段描述符（Segment Descriptor），里面才是段真正的起始地址 - 而段暂存器里面储存的是这个表格中的某一项，称为选择子（Selector）

- 获取段起始地址的流程：先间接地从段暂存器中找到表格中的一项，再从表格中的一项拿到段真正的起始地址

- 为了快速拿到段的起始地址，段暂存器会从内存中拿到CPU的描述符快取内存器中

- 这种模式与8086的模式不相容，但非常灵活，可以保持未来的相容性

真实模式 VS 保护模式

在32位的架构下，将前一种模式称为真实模式（Real Pattern），后一种模式称为保护模式（Protected Pattern）系统刚刚启动的时候，CPU处于真实模式，此时和原来的模式是相容的。即32位的CPU，也支援在原来的模式下执行，速度会快一点当需要更多内存时，可以遵循一定的规则，进行一系列的操作，然后切换到保护模式，就能够用到32位CPU更强大的能力如果不能无缝相容，但通过切换模式相容，也是可以接受的系统互动

常用汇编指令

mov, call, jmp, int, ret, add, or, xor, shl, shr, push, pop, inc, dec, sub, cmp

本文作者： zhongmingmao

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