x86彙編語言進階-i386（1）現代CPU架構

從16位的實模式到32位的保護模式的進化是一個巨大的飛躍，在16位的時代，系統的定址空間非常狹小，通常不超過幾MB，而在32位下，定址空間達到了2^32B，即4GB。得益於此，用戶能夠同時使電腦運行多個任務。同時，由於地址保護的存在，程序之間也能避免無意的相互影響，不會出現一個程序的崩潰導致其他程序一同崩潰的囧況，同時，此舉也提高了信息安全性，減少了電腦被黑的風險。不經如此，為了使我們的CPU更加快速地運行，架構師們還發明了指令流水線，同時也引入了多CPU內核的設計。本期文章的目的就是大家了解i386基本功能，為以後的學習做準備。

定址位寬

定址位寬是我們在16位實模式下就已了解了的。8086採用兩個16位寄存器疊加的方法實現了2^20B，即1MB的內存空間。而現在的32位處理器使用了32位的定址空間，而64位處理器則是大多使用至少48位的地址線，擁有更加巨大的定址空間。16位的處理器擁有20位的定址位寬，而64位處理器的位寬不明，可見處理器的位數指的不是處理器的定址位寬。

寄存器擴展

那麼，一般大家說xx位的處理器時，指的是什麼呢？其實指的就是普通的寄存器的位寬。16位的處理器的寄存器大多是16位的，比如ax寄存器就是16位的。32位的i386系列處理器的寄存器eax有32位，而64位的amd64系列處理器的寄存器rax有64位。現代處理器將寄存器的位數做了擴展，從而能夠一次處理更多的數據。

內存空間保護

當一個系統中同時有很多的程序在運行時，就會涉及到劃地盤的事情。如果所有程序都能隨心所欲地修改任意內存地址的內容（比如C語言中隨便給指針賦了一個值並訪問該指針所指向的內存），那麼信息安全就無從談起，而且有時這種篡改可能會導致其他程序甚至是整個的系統崩潰。為了避免這種情況的發生，現代CPU要求為每段代碼都賦予一定的許可權，並規定使用分段的方式來訪問內存，相較於之前我們所說的段，這裡的「段」是一個更為複雜的概念，它需要一個64位的數據結構來進行描述。每個段在創建的一開始就被規定了其特權級和段類型。如果類型是代碼段，那麼無論是誰都無法對其經行修改。這就避免了程序的連帶性崩潰。

定址模式

當一個系統中有大量的獨立的程序在運行時，這些程序不斷地申請和釋放內存，將會很快導致內存碎片化，即無法分配一段足夠長的連續內存段來使用。為了解決這個問題，CPU為虛擬內存地址技術的使用提供了方便，使用此功能時，程序將好像運行在一段無限開闊的空閑內存上，即使事實上它被切割成了無數零碎的小段內存。

多級緩存

現在的CPU速度都非常快，而儲存器的速度卻趕不上CPU的步伐。而且越是快的儲存器價格就越是高，所以整體提高儲存器的速度的不現實的。以內存為例，當CPU想從內存中取出一個數據時，往往要等好幾納秒內存才會有反應，這段時間內CPU本可以執行好幾個指令了。所以設計人員就在CPU和內存之間又放了一個叫做高速緩存的東西，由於程序往往在時間和空間上具有連續性（即：如果CPU引用了一段數據，那麼往往在短時間內又要用到那個數據或那個數據地址附近的數據），當CPU訪問了一段內存後，會將那段內存和其附近的內存的副本拷貝進高速緩存，而高速緩存往往設計得非常快，甚至能在一個時鐘周期內做出響應。

為了更加地經濟高效，往往會給高速緩存再配一個高速緩存，最多能嵌套3層之多，這就是多級緩存

指令流水線

如果能夠把一個指令分成多個部分，進行流水線處理，就能同時處理多個指令，從而提高運行效率，但是如果後一個指令需要前一個指令的計算結果，就必須通過更複雜的機制來確保機器的正常運行。

多任務調度

為了能夠方便地在一台計算機上同時運行多個任務，現代CPU通過規定一些數據結構來方便對任務的管理和交替運行。同時，通過多核心和超線程技術來提高同時運行多個任務時的運行效率。

總結

現代CPU通過加入各種複雜機制來提高安全性和運行效率，其中的一些對於程序員來說是相對透明的，我們不需要關注這些特性就能讓計算機正常運行，但還有一些功能需要與程序員密切配合才能發揮應有的作用。通過以後的學習，大家將會掌握與這些功能配合的技巧，從而編寫現代底層應用程序。

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