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CPU瞒着内存竟干出这种事?

来源：晰数塔互联网快讯时间：2020年05月28日 22:24

本文来自微信公众号：编程技术宇宙（ID：xuanyuancoding），作者：轩辕之风，题图来自：视觉中国

还记得我吗，我是阿Q，CPU一号车间的那个阿Q。

今天忙里偷闲，来到厂里地址翻译部门转转，负责这项工作的小黑正忙得满头大汗。

看到我的到来，小黑指着旁边的座椅示意让我坐下。

坐了好一会儿，小黑才从工位上忙完转过身来，“实在不好意思阿Q，今天活太多，没来得及招待你。”

“刚忙什么呢，看你满头大汗的。”我问道。

“嗨，别提了，老是发现内存页面错误，不停地要通知操作系统那边去处理，真是怀念以前啊，没有这么多破事儿要管。”小黑叹了口气。

我一听来了兴趣，“小黑你给我说说你们的工作呗，地址翻译是怎么一回事儿，为什么怀念以前呢？”

小黑调整了下坐姿，咕噜咕噜喝了几口水说道，“这话说来可就话长了。”

接下来小黑开始给我讲起了历史故事......

8086

原来咱们的祖先叫8086，小黑还给我看了他的照片。

那是一个纯真质朴的年代，虽然工作性能不高，不过那个年代的程序都很简单，我们的祖先一问世就成为了明星，称得上那个时代的顶流了。

看到照片中的那些金属针脚了吗？那是我们CPU和外界打交道的触角，每一根都有不同的作用。

通过这些触角，CPU就可以跟内存打交道，获取指令和数据，辛勤的干活啦。

那个年代，条件比较差，能凑合的就凑合，能共用的就共用。这不，你看祖先CPU的地址总线针脚和数据总线针脚就共用了。

祖先是一个16位的CPU，数据（Data）总线就有16位，一次性可以传输16个比特位。和地址（Address）总线凑合着一起共用，于是就取名AD0-AD15。

不过祖先的地址总线却不止16个，还多出了A16-A19整整4个呢！这样有20个地址线，可以寻址1MB的内存了！

但是祖先的寄存器都是16位的啊，只能存放16位的地址。不过他们很聪明，发明了一个叫分段式存储管理的方法，把内存划分为最大64KB的小块，为什么是64KB呢，因为16位地址最多只能寻址这么大了。然后又加了几个叫做段寄存器的东西，指向这些块的开头，这样，通过段地址+段内偏移地址的方式，就能访问更多的内存了。

32位时代

后来啊，祖先的那点计算能力越来越捉襟见肘，实在是跟不上时代了。家族中的年轻一代开始挑大梁，80286和80386CPU相继问世，尤其是80386，成为了划时代的存在。

到了80386时代，我们与外界通信的引脚就更多了，并且变成了32位的CPU，那个时候，生活条件就变好了，地址线和数据线再也不用共享引脚了。

后来，人类变得越来越贪心，想要一边听音乐，一边还要上网，同时还要编辑文档，这就同时需要运行多个程序。

这个时候，有人发现了商机，开发了一个叫操作系统的东西，原来那些程序不再直接和我们CPU打交道了，而是和操作系统打交道，操作系统再和我们打交道，中间商赚差价说的就是他们！

操作系统这玩意儿很聪明啊，通过时间片划分让我们CPU来轮流执行多个程序，一会儿让我们执行音乐播放，一会儿让我们执行浏览器程序，一会儿又让我们执行文档编辑程序。我们是无所谓啊，给什么代码不是代码啊，我们不挑，埋头苦干就是了。人类的反应速度跟我们就差得远了，他们还以为这些程序真的是同时执行的呢。

虚拟内存

不过随之而来出现了一个大问题，这么多程序都要运行，大家挤在一个内存里，经常发生摩擦，冲突不断。

先祖们为了此事殚精竭虑，终于想出了一个好办法，一直沿用至今。

他们提出了一个虚拟地址的东西，所有程序使用的地址都是一个虚拟的地址，在真正和内存打交道的时候，咱们CPU内部工作人员再给翻译成真实的内存地址，关于这事儿，内存那家伙一直被我们蒙在鼓里。

这样一来，每个程序都可以用的是0x00000000到0xffffffff总共4GB这么大范围的地址空间，当然不会真的给他们那么多空间，内存那家伙总共才4GB呢，而是要按需申请分配。分配的单元是按照页来进行的，32位的CPU一个页是4KB。这些分配管理的累活就让操作系统来干了，中间商不能光拿好处不干正事，至于我们CPU，做好地址翻译的工作就好了。