从程序员角度深入计算机系统的底层

一组讲述计算机内幕的文章，旨在揭示现代操作系统内核的工作原理。我希望这些文章能对电脑爱好者和程序 员有所帮助，特别是对这类话题感兴趣但没有相关知识的人们。讨论的焦点是 Linux，Windows，和 Intel 处理器。 钻研系统内幕是我的一个爱好。我曾经编写过不少内核模式的代码，只是最近一段时间不再写了。这第一篇文章讲 述了现代 Intel 主板的布局，CPU 如何访问内存，以及系统的内存映射 计算机系统是由硬件和软件共同构成的一个庞大而复杂的实体，而程序员往往需要深入到这个系统的底层，理解其运作的原理。本文将从程序员的角度，深入探讨计算机系统底层知识，特别是现代操作系统内核的工作原理，重点关注Linux、Windows和Intel处理器。 要理解现代计算机是如何连接各个组件的。现代计算机主板一般包括北桥和南桥芯片组，它们负责处理不同类型的硬件通信。CPU通过前端总线与北桥芯片连接，负责处理内存的读写请求。CPU并不直接知道它连接的是什么，它通过针脚与外界交互，通过内存地址空间、I/O地址空间和中断三种方式与外界通信。 以Intel Core 2 QX6600处理器为例，它有33个针脚用于传输物理内存地址，64个针脚用于数据传输。这意味着它能控制的物理内存达到64GB。然而，由于大多数芯片组仅支持最多8GB的RAM，所以实际可用的物理内存会少于64GB。而且，物理内存地址不仅用于RAM的读写，还可用于主板上各种设备间的通信，这种通信方式称为内存映射I/O。例如，显卡、PCI卡和BIOS中的flash存储器等设备的地址空间，都是通过物理内存地址映射来实现的。 内存地址映射表决定了CPU发出的物理内存请求被转发到哪个设备。一般情况下，大部分内存地址被映射到RAM，剩下的地址由映射表指明对应的设备。这些被映射为设备的内存地址，在物理内存中形成了一种“空洞”。例如，在PC内存640KB到1MB之间的区域，就可能被显卡和PCI设备使用，这也就解释了为什么32位操作系统无法使用全部的4GB内存空间。在Linux系统中，可以通过查看/proc/iomem文件，来了解这些空洞的地址范围。 再来看一下CPU如何在不同模式下寻址内存。在32位保护模式下，CPU可以寻址最多4GB的物理地址空间，但是由于地址空间中的一部分被设备占用，实际可用的RAM容量会减少。在实模式下，CPU只能寻址1MB的物理地址空间。而在64位保护模式下，CPU理论上可以寻址高达64GB的物理地址空间，但实际上很少有芯片组支持这么大的RAM。在64位模式下，CPU有可能访问到RAM空间中被主板上的设备映射走了的区域，这种技术称为回收(reclaiming)，需要芯片组的配合。 了解了内存布局和CPU寻址原理后，接下来需要掌握CPU如何将程序中的逻辑地址转换成物理地址。在CPU内部使用的是逻辑地址，需要经过地址翻译机制转换成物理地址才能访问内存。CPU的运行模式决定了其能访问的物理内存大小，这直接影响到操作系统的内存管理和程序设计。 从程序员的角度来看，深入理解计算机系统的底层工作原理，有助于我们编写更加高效和健壮的代码，也能更好地进行系统级问题的调试和优化。同时，了解了内存的布局和CPU的工作机制后，我们可以更好地利用系统资源，编写出能够充分利用硬件性能的程序。此外，对于希望在操作系统底层开发领域深入研究的程序员来说，这份知识是必不可少的基础。 尽管现代操作系统为程序员提供了很多抽象和封装，但是理解计算机系统的底层原理依旧是一个不可或缺的技能。通过对计算机硬件和操作系统内核更深层次的理解，程序员不仅能够写出更加符合硬件特性的代码，还能够在性能调优、系统编程和硬件相关应用开发中取得更好的成绩。因此，无论是对于初学者还是资深的程序员，深入理解计算机系统底层的工作原理，都是十分有价值的学习方向。