cpu的实模式、显卡、硬盘

1：cpu实模式

1.1：cpu工作原理

大体分为三个部分：

1. 控制单元：由指令寄存器（IR），指令译码器（ID），操作控制器（OC）组成，
   1. 操作控制器OC给运算单元下命令
   2. IR通过IP寄存器的指向，将内存中的指令放入IR中
   3. ID按照IA32指令格式将指令解码：分析出操作码是什么，操作数在哪里等
2. 运算单元：算术运算（加减乘除）和逻辑运算（比较、移位），命令从控制单元
3. 存储单元：CPU 内部的 L1 、 L2 缓存及寄存器，待处理的数据存放地。为什么数据已经在内存中还要重复存储呢？由于内存的存储器称为DRAM

动态随机访问内存（DRAM）即插在主板上的内存条，动态就是指此种存储介质由于本身电气元件的性质，需要定期地刷新。内存条这么小却要装下这么多的电容，导致电容容易漏电，因此需要定期的补充电量来维持内存数据不丢失

而SRAM（静态存储器）不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据，其中包含了程序员可见和不可见的寄存器，所以这是为了保证指令操作数的完整性。

（图中如取指令和得到指令是一个过程，其他类似）

执行指令过程：

1. 读取下一条指令：读取cs：ip地址（x86中在程序计数器PC中）-> 送上地址总线、获得指令 -> 存入指令寄存器中
2. 译码：译码器ID根据指令格式检查IR中指令 -> 确定操作码和操作数类型
3. 取操作数：根据操作数类型-> 操作数在SRAM的寄存器中直接可以用 ->在内存中即需要内存寻址则通过地址总线将操作数放入SRAM
4. 运算：OC给运算单元下令开工
5. 更新ip：ip = ip + 当前指令的长度，若跨段，还要更新CS

1.2：实模式下寄存器

CPU寄存器分两大类：
一类是内部使用的，对程序员不可见，是给CPU内部的数据提供存储空间，如GDTR，LDTR，TR，CR0~3，IP等

一类是对程序员可见的寄存器。

16位cpu的8086有14个16位寄存器，这14个寄存器按其用途可分为
(1)通用寄存器 (2)段寄存器 (3)标志寄存器 (4)指针寄存器等4类。

通用寄存器

指针寄存器和变址寄存器，包括：

1. SP（Stack Pointer）：堆栈指针，与SS配合使用，可指向目前的堆栈位置，常为栈顶
2. BP（Base Pointer）：基址寄存器，可用作SS的一个相对基址位置；
3. SI（Source Index）：源变址寄存器，与DS段基址搭配，作为偏移量
4. DI（Destination Index）：目的变址寄存器，与ES段基址搭配，作为偏移量

段寄存器

值得说明的是在 16 位 CPU 中，只有一个附加段寄存器一ES。而 FS 和 GS 附加段寄存器是在 32 位 CPU 中增加的。我们使用的是 32 位 CPU，并不是说 32 位 CPU 在实模式下的 16 位环境中就不能用 FS 和 GS 寄存器。 （32 位的 CPU 兼容 16 位 CPU 的特性）

标志寄存器

16位实模式下称为flags，是记录一些产生运算结果的过程。标志位常用来作为判断的条件，本质上是上一条指令执行的结果，如进位、位溢出、结果为零等等。

指针寄存器

IP寄存器是不可见寄存器，而CS寄存器是可见的，cs 寄存器用来存代码段段基址， IP寄存器用来存储代码段段内偏移地址。
CPU取指令的地址就是通过CS：IP获取的，读取完一个指令后，把当前IP+已读完的指令长度之和作为新的IP值存入指针寄存器，如果这个指令还是一个跳转指令，CS也会更新。

1.3：实模式下CPU的内存寻址方式

内存寻址是寻找“数”的地址，这个“数”可以源操作数，也可以是目的操作数。
大方向上分三类

1. 寄存器寻址：“数”在寄存器中
2. 立即数寻址：“数”是常数，由于找数不需要花费cpu运行周期，能够立即拿来用
3. 内存寻址：内存寻址遵循一个大前提：采用“段基址：偏内偏移地址”的形式。
   • 直接寻址：”数“所在的内存地址是是立即数，默认段地址是DS。
   • 基址寻址：操作数用bx或者bp作为偏移地址，ss：bp访问栈中元素
   • 变址寻址：使用si或者di变址寄存器
   • 基址变址寻址：同时使用基址和变址寄存器，如ds：bx+di形式

1.4：栈

栈是线性表的一种，线性表是有线性性质的表，也就是连续的（不是地址上的连续），并且任意位置只有一个元素的表结构，栈作为特殊的一类，只能从一端入栈，另一端作为存储单元的基址永远不动

数据结构的栈是逻辑上的，而物理上的栈存储在内存区域中，和数据段意义一样，通过SS和SP来访问栈中元素。

栈顶指针（SP）：作为栈的出口和入口，一般通过push和pop指令可以改变其指向，栈扩栈的方向是从高地址向低地址，入栈---SP减去新元素的字长。但是栈中访问内存还是从低地址向高地址的

1.5：ret，call

1. ret：一般用于近返回，与call near连用，从栈中弹出2个字节数据存入IP中
   retf：远返回，需要跨段，与call far连用，从栈中弹出4个字节存入CS：IP

2. call

   • 16位相对近调用：call near xxxx，这个指令的操作数不是xxxx，相对的概念就是xxxx与当前指令所在地址的相对增量（注意，near的范围可正可负，是有符号整数，如果显式使用会强制改变xxxx的类型）
   • 16位间接绝对近调用：call reg_16/mm
   • jmp无条件跳转指令有5种方式，与call差不多分析角度。

1.6：条件转移指令

2：显卡

2.1: 外设通信原理

1. I/O接口的由来：

由于外部设备并没有一个统一的制定标准，所以出现传输速度、驱动信号，串并行、格式的不同，为了让CPU更好的管理外设，额外加一“层”------接口。

2. I/O接口的定义：

连接 CPU 与外部设备的逻辑控制部件，既为逻辑，就说明可分为硬件和软件两部分。

• 硬件上：做一些实质具体的工作，协调两者间的各种不协调（如实现数据格式的转化，缓冲区的设置降低等待时间）
• 软件上：制作接口电路工作的驱动程序以及完成内部数据传输所需要的程序。

3. I/O接口的功能：

• 设置数据缓冲，解决 CPU 与外设的速度不匹配
• 设置信号电平转换电路 ：外设不能用TTL电平驱动
• 设置数据格式转换：CPU只处理数字信号（即二进制），外设可能是模拟或数字，需用D/A或A/D转换，并且需要判断数字信号的字长和格式进行统一
• 设置时序控制电路来同步 CPU 和外部设备：通过一次握手实现同步（可能需要微机原理才能真正理解）
  • CPU发送控制、定时信号给I/O接口
  • 接口用它们管理硬件
  • 硬件产生应答信号返回接口
  • 接口传回CPU
• 提供地址译码：一个接口必须有多个端口（寄存器），同一时刻只能有一个端口与CPU通信，该操作能让CPU选择端口

CPU如何访问I/O接口？如何连接多个进行通信？：

1. 总线：一排电线，所有接口都连接其上，但前提是要有电子开关（相当于红绿灯，只有需要通行的路线才会开绿灯），用于断开或者连接总线
2. 南桥芯片（ICH）：CPU通过内部总线（专用）连进南桥内部，南桥内部有将很多接口集成进电路（PCI接口是专门用于扩展的接口）
   下图主板上那些并排的插槽其实都“骑”在一条电线上而已

显卡

显卡是显示适配器，也是IO接口，用于显示屏与CPU的交互。
显存是显卡的内部一块内存，显卡负责将显存里的数据输入到显示屏中。

字符编码的由来：由于显示器与显存数据的一一对应的，在显示器看来，所有数据都是像素信息，所以要想打印出一些字符，就不得不算出字符对应的像素位置，因为太麻烦了，所以约定俗称的一种编码方式出现了，如显存里存入0x41，显示器就可以输出ASCII对应的字符“A”。字符有了还需要有字符的属性值，所以一个字符需要对应2个字节。

3：磁盘

磁盘存储逻辑及部件的运动

磁头：每个磁面各有一个磁头来读取数据，从上至下以0开始计数，磁头本身固定，由磁头臂带动着绕着主轴来回摆动

磁道：将整个盘面划分为多个同心环，每个环称为一个磁道

扇区：同心环上的弧状区域是扇形的一部分，称为扇区，是硬盘存储数据的最基本单位，每个扇区512字节，且扇区存在“头部”，用来比对编号。

柱面的作用：为了减少机械式硬盘的寻道时间（减少磁头的移动），当有大于一个磁道空间的连续数据需要存储，其他数据写入第 1 面相同编号的磁道上，若还不够，写到第2面相同编号的磁道上。

所以确定唯一扇区需要“磁头号，磁道号，扇区号。

主板如何支持硬盘

由于硬盘是外部设备，肯定需要I/O接口，答案是硬盘控制器。
硬盘接口有串行接口（Serial ATA）和并行接口（Parallel ATA），以PATA来说， PATA 接口的线缆也称为 IDE 线，一个 IDE 线上可以挂两块硬盘，主盘和从盘，一块主板支持4个硬盘，所以主板上提供两个 IDE 插槽。 这两个接口也是以 0 为起始编号的，一个称为 IDE0（Primary通道），另一个称为 IDE1（Secondary通道），每个通道都有主从盘。

本文为读书笔记，是对书中自己认为重要的点进行简要摘录和总结，如需要更进一步了解，还是推荐看原书，作者讲的非常详细。
原书：郑钢 操作系统真象还原