cpu的实模式

由于mbr在实模式下工作……什么？什么是实模式？这时候有同学打断了我。我心想，这下好办了……哈哈，没有啦，开个玩笑而已。我们这里所说的实模式其实就是8086 cpu的工作环境、工作方式、工作状态，这是一整套的内容，并不是单指某一方面的设置。

实模式是指8086 cpu的寻址方式，寄存器大小，指令用法等，是用来反应cpu在该环境下如何工作的概念。所以想了解实模式这种抽象的概念，主要就是了解在实模式下cpu能做什么。

大家都学过汇编语言吧，里面有讲实模式、保护模式之类的，但鉴于太过久远，为了让后面的工作顺利进行，我觉得还是有必要给大家介绍下cpu的工作模式。

cpu的工作原理

在介绍cpu的各种模式之前 ，先占用大家几分钟的时间 ，说点在两种模式下公共的内容，和大家聊聊cpu的工作原理。当然这里所说工作原理可不像微机接口技术里那么细致，精确到逻辑门等电子电路。第一我也不会，想讲也讲不出来，吼吼^0^。第二我觉得没必要懂到那么细致，如果懂的太细了，会为之所累，您想，每次执行一条指令时，您的大脑总是联想到各种元件的工作流程，本来一瞬间完成的工作您可能要给放大一千倍，非得强迫症似的要求掌握每个步骤的细节，万一在哪个点上想不通了这就会让人感到很沮丧，影响心情，甚至质疑上层的编译器，哈哈，我知道说的有点严重了，不夸张一点的话不容易表述问题，好了，下面在宏观上介绍下cpu工作原理。

大家都知道，cpu的唯一的任务就是执行指令，在它眼里，指令就是一串010101…，那它执行每条指令的流程是怎样的呢。cpu大体上可以划分为3个部分，它们是控制单元、运算单元、存储单元。控制单元是cpu的控制中心，cpu需要经过它的帮忙才知道自己下一步要做什么。而控制单元大致是由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)、操作控制器OC(Operation Controller)组成。程序被加载到内存后，也就是指令这时都在内存中了，指令指针寄存器IP指向内存中下一条待执行指令的地址，控制单元根据IP寄存器的指向，将位于内存中的指令逐个装载到指令寄存器中，但它还是不知道这些指令是什么，在它眼里的0101串此时还没有实际意义。然后指令译码器将位于指令寄存器中的指令按照指令格式来解码，分析出操作码是什么，操作数在哪里之类的。下面给出了一般的指令格式：

 前缀 操作码 寻址方式、操作数类型 立即数 偏移量

看上去还是蛮复杂的，复杂的原因是必须用一种统一的格式去归纳所有形式的指令，因为cpu只能识别一种格式，万物的源头必须是最简单的，cpu也一样。这就好比要求用一句话表达出宇宙苍生，似乎看上去不可能？能，一定能，只要这句话足够长就行^_^。就像等待女朋友化妆一样，她怕你等烦了，于是就安慰你一句：“还有一首歌的时间就好了”，其实你明白，这首歌是《黄河大合唱》，一共8个乐章且唱呢……^5^。

由于cpu支持的指令数量较多，一些指令还可以搭配一些辅助的东东，所以就需要在前缀部分记录这些，如rep（用于重复执行，汇编中经常用）、段超越前缀。操作码就是大家平时用的mov、jmp等等。寻址方式又有好多，如基址寻址、变址寻址等等，操作数类型中记录的是用哪些寄存器之类的。如果在指令中用到了立即数，就要将其记录到指令格式中立即数部分，如果寻址方式中有到了偏移量，就要将此偏移量记录到指令格式中的偏移量部分。

既然指令是存放在指令寄存器中，那指令中用到的数据存放到哪里呢，下面介绍存储单元。

存储单元是指cpu内部的L1、L2缓存及寄存器，待处理的数据就存放在这些存储单元中，这里的数据是说指令中的操作数。为什么数据已经在内存中了还非得在cpu内部再整这么个存储单元干吗？原因是缓存基本上都是采用SRAM （Static RAM）存储器，从名字上看就知道它是一种具有静态存取功能的存储器。这么一说，似乎还有动态存储功能的存储器？是啊，其实我们插在主板上的物理内存就是DRAM（Dynamic Random Access Memory）, DRAM内存需要每隔一段时间就去刷新电路，刷新就是指给DRAM充电，否则存储的数据就会丢失。而SRAM不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据,这就是静态的含义，因此SRAM性能较强劲。但SRAM也不是完美无缺的，它的集成度较低，相同容量之下，SRAM的体积比DRAM要大很多。所以二级缓存都不大，目前来说顶多4兆左右，所以现代cpu用二级缓存的数量取胜，如L1、L2、L3共三级。寄存器可分为两大类，程序员可以使用的寄存器称为程序可见寄存器，如通用寄存器，段寄存器。程序不可见寄存器是指程序员不可使用，也无法访问到它们，系统运行期间可能要用到的寄存器，如ALU算术逻辑单元在求和时，会将结果先送到数据暂存寄存器。操作码有了，操作数有了，就差执行指令了，随后“操作控制器”给相关部件发信号，会给哪些部件发信号呢？如下面要介绍的运算单元。

运算单元是负责算术运算（加减乘除）和逻辑运算（比较、移位），它从控制单元那里接收命令（信号）并执行，它没有自主意识，只是个执行部件。它们之间的关系如图：

 

好啦，文字描述过了，图也看过了，总结下cpu的工作原理：控制单元要取下一条待运行的指令，该指令的地址是在程序计数器PC中，在x86cpu上，程序计数器就是cs:ip。于是读取ip寄存器后，将此地址送上地址总线，cpu根据此地址便得到了指令，并将其存入到指令寄存器IR中。这时候轮到指令译码器上场了，它根据指令格式检查指令寄存器中的指令,先确定操作码是什么，再检查操作数类型，若是在内存中，就将相应操作数从内存中取回放入自己的存储单元，若操作数是在寄存器中就直接用了，免了取操作数这一过程。操作码有了，操作数也齐了，操作控制器给运算单元下令，开工，于是运算单元便真正开始执行指令了。ip寄存器的值被加上当前指令的大小，于是ip又指向了下一条指令的地址。接着控制单元又要取下一条指令了，流程回到了本段开头，cpu便开始了日复一日的循环，由于cpu特别不容易坏，所以唯一它停下来的条件就是停电。

以上是cpu的工作原理，无论cpu在哪种模式下工作，这一核心原理是不变的。有了这一思想武装起来后再讲模式就简单多了，兄弟们加油，下一节，不见不散。