操作系统计算机组成原理CPUMMUcache的概念及实现，CPU访问操作系统内核的过程

Posted 2021-05-15 The Gao

计算机存储介质

位于CPU内部的存储介质只有寄存器（CPU内有个寄存器堆，寄存器数量不多，也就20来个），寄存器是容量最小的存储介质，但是是最快的。

其他的存储介质都位于CPU外部，容量由小到大分别是cache->内存->硬盘->网络（可视为无限容量）。

CPU执行过程

在我们运行.out文件中的一条指令时，该指令会在CPU中经历如下步骤：

1.由于.out文件保存在磁盘内，由磁盘写入内存，再由内存进入cache区。

2.CPU中的预取器，执行预取指令的工作，把这条二进制形式的指令读入CPU；

3.预取器把取到的指令交给译码器，译码器对指令进行分析，获知指令要做的工作，以及完成指令需要使用什么寄存器。如该指令是完成加法操作，就事先取出eax和ebx寄存器，把加数和被加数放在里面备好；

4.译码器了解具体的运算类型并且准备好寄存器后，有ALU算术逻辑单元完成具体的运算。ALU只能完成+和<<运算，所有运算都可以通过这两个基本运算完成）；

5.ALU把计算好的结果写到相应的寄存器，随后再由cache把哪个记录计算结果的寄存器中的内容取走。

MMU内存管理单元

CPU中还有一块十分重要的单元，那就是MMU内存管理单元。它的主要作用是：

1.虚拟内存与物理内存的映射；

2.设置和修改内存访问级别。

通过执行一个文件或者系统调用fork()函数产生一个进程时，都会产生一片虚拟内存【32位系统上虚拟内存是4G大小（其中0到3G是用户空间可使用的地址，3G到4G是内核空间可以使用的地址）】。

这片内存是虚拟的，并非实际存在的，切实存在的是我们的物理内存，只是我们通过这4G的虚拟内存能够更方便地管理内存空间。由于这块内存是虚拟的，看起来我们的程序相关内容都是存放在这片空间（程序中我们用户所有可以操控的内存地址都是虚拟内存的地址），但是实际还是存放在物理内存上，所以我们就要使用一个方法去把虚拟内存和物理内存之间相互映射，MMU就帮我们完成了这样的映射。

在MMU把虚拟内存映射为物理内存的过程中，映射的最小单位是4K大小（一个Page）。（即便虚拟内存有一段区域只有1K大小，在把这块区域映射进物理内存，在物理内存上为它划分空间时，也会划分出4K大小的区域。）

MMU在完成映射的同时，还为CPU设置了对物理内存的访问级别。简单地说，访问级别最高是Ring0（即DPL=0），是内核空间Kernel Space；最低是Ring3（即DPL=3），是用户空间User Space。只有当CPL<=DPL时，CPU才可以访问内核。

MMU的工作在程序运行起来的时候就开始了，因为从cache上面取来的指令中使用的变量，数值等对应的存储位置就是虚拟内存，MMU需要把它映射到物理内存上，才能真正取出变量中的值。同样的CPU计算完把结果返回给cache也需要MMU协助把物理内存映射回虚拟内存。

CPU访问操作系统内核并实现功能的过程

下面以执行print()函数为例，介绍CPU访问操作系统内核并实现功能的过程：

1.调用printf()阶段，CPU运行在用户空间，CPL=3。但是printf()还需要向下作系统调用write()；

2.触发0x80中断，修改CPU的CPL=0，对内存的访问级别发生了改变。这种级别的调整，就是MMU帮助CPU完成的。修改之后此时满足CPL<=DPL，CPU访问内核空间；

3.中断处理程序system_call查表sys_call_table，确定__NR_wirte=4，获得系统调用号后，调用相应的API函数wirte()实现功能。

参考文章：计算机组成原理之CPU和MMU