還記得我嗎，我是阿Q，CPU一號(hào)車間的那個(gè)阿Q。

今天忙里偷閑，來(lái)到廠里地址翻譯部門轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的小黑正忙得滿頭大汗。

看到我的到來(lái)，小黑指著旁邊的座椅示意讓我坐下。

坐了好一會(huì)兒，小黑才從工位上忙完轉(zhuǎn)過(guò)身來(lái)，“實(shí)在不好意思阿Q，今天活太多，沒來(lái)得及招待你”

“剛忙什么呢，看你滿頭大汗的”，我問道。

“嗨，別提了，老是發(fā)現(xiàn)內(nèi)存頁(yè)面錯(cuò)誤，不停地要通知操作系統(tǒng)那邊去處理，真是懷念以前啊，沒有這么多破事兒要管”，小黑嘆了口氣。

我一聽來(lái)了興趣，“小黑你給我說(shuō)說(shuō)你們的工作唄，地址翻譯是怎么一回事兒，為什么懷念以前呢？”

小黑調(diào)整了下坐姿，咕嚕咕嚕喝了幾口水說(shuō)道，“這話說(shuō)來(lái)可就話長(zhǎng)了”

接下來(lái)小黑開始給我講起了歷史故事······

8086

原來(lái)咱們的祖先叫8086，小黑還給我看了他的照片

那是一個(gè)純真質(zhì)樸的年代，雖然工作性能不高，不過(guò)那個(gè)年代的程序都很簡(jiǎn)單，我們的祖先一問世就成為了明星，稱得上那個(gè)時(shí)代的頂流了。

看到照片中的那些金屬針腳了嗎？那是我們CPU和外界打交道的觸角，每一根都有不同的作用。

通過(guò)這些觸角，CPU就可以跟內(nèi)存打交道，獲取指令和數(shù)據(jù)，辛勤的干活啦。

那個(gè)年代，條件比較差，能湊合的就湊合，能共用的就共用。這不，你看祖先CPU的地址總線針腳和數(shù)據(jù)總線針腳就共用了。

祖先是一個(gè)16位的CPU，數(shù)據(jù)(Data)總線就有16位，一次性可以傳輸16個(gè)比特位。和地址(Address)總線湊合著一起共用，于是就取名AD0-AD15。

不過(guò)祖先的地址總線卻不止16個(gè)，還多出了A16-A19整整4個(gè)呢！這樣有20個(gè)地址線，可以尋址1MB的內(nèi)存了！

但是祖先的寄存器都是16位的啊，只能存放16位的地址。不過(guò)他們很聰明，發(fā)明了一個(gè)叫分段式存儲(chǔ)管理的方法，把內(nèi)存劃分為最大64KB的小塊，為什么是64KB呢，因?yàn)?6位地址最多只能尋址這么大了。然后又加了幾個(gè)叫做段寄存器的東西，指向這些塊的開頭，這樣，通過(guò)段地址+段內(nèi)偏移地址的方式，就能訪問更多的內(nèi)存了。

32位時(shí)代

后來(lái)啊，祖先的那點(diǎn)計(jì)算能力越來(lái)越捉襟見肘，實(shí)在是跟不上時(shí)代了。家族中的年輕一代開始挑大梁，80286和80386CPU相繼問世，尤其是80386，成為了劃時(shí)代的存在。

到了80386時(shí)代，我們與外界通信的引腳就更多了，并且變成了32位的CPU，那個(gè)時(shí)候，生活條件就變好了，地址線和數(shù)據(jù)線再也不用共享引腳了。

后來(lái)，人類變得越來(lái)越貪心，想要一邊聽音樂，一邊還要上網(wǎng)，同時(shí)還要編輯文檔，這就同時(shí)需要運(yùn)行多個(gè)程序。

這個(gè)時(shí)候，有人發(fā)現(xiàn)了商機(jī)，開發(fā)了一個(gè)叫操作系統(tǒng)的東西，原來(lái)那些程序不再直接和我們CPU打交道了，而是和操作系統(tǒng)打交道，操作系統(tǒng)再和我們打交道，中間商賺差價(jià)說(shuō)的就是他們！

操作系統(tǒng)這玩意兒很聰明啊，通過(guò)時(shí)間片劃分讓我們CPU來(lái)輪流執(zhí)行多個(gè)程序，一會(huì)兒讓我們執(zhí)行音樂播放，一會(huì)兒讓我們執(zhí)行瀏覽器程序，一會(huì)兒又讓我們執(zhí)行文檔編輯程序。我們是無(wú)所謂啊，給什么代碼不是代碼啊，我們不挑，埋頭苦干就是了。人類的反應(yīng)速度跟我們就差得遠(yuǎn)了，他們還以為這些程序真的是同時(shí)執(zhí)行的呢。

虛擬內(nèi)存

不過(guò)隨之而來(lái)出現(xiàn)了一個(gè)大問題，這么多程序都要運(yùn)行，大家擠在一個(gè)內(nèi)存里，經(jīng)常發(fā)生摩擦，沖突不斷。

先祖?zhèn)優(yōu)榱舜耸職椌邞]，終于想出了一個(gè)好辦法，一直沿用至今。

他們提出了一個(gè)虛擬地址的東西，所有程序使用的地址都是一個(gè)虛擬的地址，在真正和內(nèi)存打交道的時(shí)候，咱們CPU內(nèi)部工作人員再給翻譯成真實(shí)的內(nèi)存地址，關(guān)于這事兒，內(nèi)存那家伙一直被我們蒙在鼓里。

這樣一來(lái)，每個(gè)程序都可以用的是0x00000000到0xffffffff總共4GB這么大范圍的地址空間，當(dāng)然不會(huì)真的給他們那么多空間，內(nèi)存那家伙總共才4GB呢，而是要按需申請(qǐng)分配。分配的單元是按照頁(yè)來(lái)進(jìn)行的，32位的CPU一個(gè)頁(yè)是4KB。這些分配管理的累活就讓操作系統(tǒng)來(lái)干了，中間商不能光拿好處不干正事，至于我們CPU，做好地址翻譯的工作就好了。

為此，在我們寄存器內(nèi)部專門添置了一個(gè)新的寄存器CR3，用來(lái)指向一個(gè)地址翻譯查詢字典，字典劃分了兩級(jí)目錄。我們把一個(gè)32位的地址劃分了3部分，前面兩部分分別指向兩級(jí)目錄中的條目，用來(lái)定位這個(gè)地址在物理內(nèi)存的哪個(gè)頁(yè)面，最后一部分就是指向物理內(nèi)存頁(yè)面的偏移，這樣就完成了地址的翻譯工作。

每個(gè)進(jìn)程有不同的地址空間，切換進(jìn)程的時(shí)候，把CR3的內(nèi)容換一下就使用新進(jìn)程的翻譯字典，特別的方便。

我們把這種內(nèi)存管理方式叫做分頁(yè)式內(nèi)存管理。

真佩服先祖?zhèn)兊闹腔郏@樣巧妙的把各個(gè)程序隔離開來(lái)，后來(lái)我們把這種工作模式叫做保護(hù)模式，把之前那種直接使用真實(shí)內(nèi)存地址的工作模式叫做實(shí)地址模式。

分頁(yè)交換

人類變得越來(lái)越貪婪，程序變得越來(lái)越多，對(duì)內(nèi)存的需求也越來(lái)越大。隨著這些程序都不斷申請(qǐng)內(nèi)存頁(yè)面，內(nèi)存空間很快就要耗盡了。

我們看在眼里，急在心里，后來(lái)找操作系統(tǒng)協(xié)商，看看這問題該怎么辦。

操作系統(tǒng)那家伙也不賴，想出了一個(gè)好辦法。內(nèi)存的大小有限，但是硬盤給力啊，硬盤空間大的多，去硬盤上劃一塊區(qū)域來(lái)，把內(nèi)存里長(zhǎng)時(shí)間沒有用到的頁(yè)面給換到這塊區(qū)域里去，然后做個(gè)標(biāo)記。如果后面誰(shuí)要訪問那個(gè)頁(yè)面，咱們CPU就檢查如果有這個(gè)標(biāo)記，就發(fā)送一個(gè)頁(yè)錯(cuò)誤的中斷信號(hào)告訴操作系統(tǒng)去把這個(gè)頁(yè)面換回來(lái)。

通過(guò)我們之間的配合，解決了內(nèi)存緊張的危機(jī)。后來(lái)我們把這個(gè)技術(shù)叫做內(nèi)存分頁(yè)交換。

現(xiàn)在

時(shí)間過(guò)得很快，到了我們這一輩，內(nèi)存變得更大了，16GB都是小case，32GB也很常見。

除了內(nèi)存，我們CPU本身也更先進(jìn)了，別的不說(shuō)，你光看看咱們現(xiàn)在的引腳數(shù)那比先祖?zhèn)兡菐纵吘筒豢赏斩Z(yǔ)。

我們不僅從32位變成了64位，還從單核變成了多核，像我所在的CPU就有8個(gè)車間，8核并行執(zhí)行，比起先祖那個(gè)年代簡(jiǎn)直有云泥之別。

彩蛋

和小黑閑談間，我們車間的老K突然出現(xiàn)在了門口。
“阿Q原來(lái)你在這里，讓我好找，趕快回去吧，隔壁二號(hào)車間的虎子說(shuō)我們改了他們的數(shù)據(jù)，上門來(lái)鬧事了······”

原文標(biāo)題：一個(gè)故事看懂 CPU 內(nèi)存管理技術(shù)

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