計算機的工作模式
對於計算機來說，CPU（central processing Unit,中央處理器）肯定是最核心的，程序執行全都要依賴於它。
CPU和其他設備連接，要靠一種叫總線（bus）的東西，其實就是主板上密密麻麻的集成電路，這些東西組成了CPU和其他設備的高速通道。
在這些設備中，最重要的是內存(memory)，因爲單靠CPU是沒法完成計算任務的，很多複雜的計算任務需要把中間結果保存下來，然後基於中間結果進行進一步計算，CPU本身是沒有辦法保存這些結果的，這就需要依賴內存了。
當然總線上也會有一些其他設備，例如顯卡會連接顯示器，磁盤控制器會連接硬盤，USB控制器會連接鼠標和鍵盤等等。
CPU和內存是完成計算任務的核心組件，CPU其實也不是單獨一塊，它包括三個部分，運算單元 ，數據單元和控制單元。
- 運算單元只管算，例如做加法，做位移等等。但是它不知道應該算哪些數據，運算結果應該放在哪裏。運算單元計算的數據如果每次都要經過總線，到內存中去現拿，這樣就太慢了，
- 所以有了數據單元。數據單元包括CPU內部的緩存和寄存器組，空間很小，但是速度飛快，可以暫時存放數據和運算結果。
- 有了放數據的地方，也有了算的地方，還需要有個指揮到底做什麼運算的地方，這就是控制單元。控制單元是一個統一的指揮中心，它可以獲得下一條指令，然後執行這條指令，這個指令會指定運算單元取出數據單元的某幾個數據，計算出結果，然後放在數據單元的某個地方。
![X86架構模式]()
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‘’CPU的控制單元中，有一個指令指針寄存器，執行的是下一條指令執行的地址，控制單元會不停的將代碼段的指令拿出來，先放進指令寄存器，當前的指令分爲倆部分，一部分是做什麼操作，是加法還是位移；一部分是操作哪些數據，要執行這些指令，就需要把就需要把第一部分交給運算單元，第二部分交給數據單元，數據單元根據數據的地址，從數據段裏讀到數據寄存器裏，就可以參與運算了。運算單元做完運算，產生的結果會暫存在數據單元的數據寄存器裏，最終會有指令將數據寫回內存中的數據段。CPU有倆個寄存器，專門保存當前處理進程的代碼段的起始地址，以及數據段的起始地址，這裏面寫的都是進程A，那當前執行的就是進程A的指令，等切換成進程B，就會執行B的指令了，這個過程叫做進程切換(process switch)。這是一個多任務系統的必備操作。
CPU和內存傳輸數據都是依靠總線，總線上主要有倆類數據，一個是地址數據，也就是我想拿內存中哪個位置的數據，這類總線叫做地址總線(Address bus);另一類是真正的數據，這類總線叫數據總線(data bus).總線有點像連接CPU和內存的高速公路，說總線到底有多少位，就類似說高速公路有幾個車道，地址總線的位數，決定了能訪問的地址範圍到底有多廣，例如只有倆位，那CPU就只能認00,01，10,11四個位置，超過這四個位置，就區分不出來了，位數越多，能夠訪問的位置就越多，能管理的內存範圍就越廣。而數據總線的位數，決定了一次能拿多少數據進來，例如只有倆位，那CPU一次只能從內存拿倆位數，要想拿八位就需要拿四次，位數越多，一次拿的數據就越多，訪問速度也就越快。
英特爾技術成爲行業的開放事實標準，這個系列開端於8086，因此稱爲X86架構，後來英特爾的數據總線和位置總線越來越寬，處理能力越來越強，但是一直不能忘記三點，一個是標準，二是開放，三是兼容。
- 先來看數據單元，爲了暫存數據，8086處理器內部有8個16位的通用寄存器，也就是剛纔說的CPU內部的單元數據，分別是AX，BX，CX，DX，SP，BP，SI，DI，這些寄存器主要用於在計算過程中暫存數據。這些寄存器比較靈活，其中AX，BX，CX，DX可以分爲倆個8位的寄存器來使用，分別是AH，AL，BH，BL，CH，CL，DH，DL其中H就是High（高位），L是LOW(低位),這樣，比較長的數據也可以暫存。
- 接下來我們來看控制單元，IP寄存器就是指令指針寄存器（instruction Pointer register），指向代碼段中下一條指令的位置，CPU會根據它來不斷的將指令從內存的代碼中，加載到CPU的指令隊列中，然後交給運算單元去執行。每個進程都分代碼段和數據段，爲了指向不同進程的地址空間，有四個16位的段寄存器，分別是CS，DS，SS，ES。其中CS是代碼段寄存器(Code segment register)，通過它可以找到代碼在內存中的位置。DS是數據段的寄存器，通過它可以找到數據在內存中的位置。SS是棧寄存器(Stack register)。棧是程序運行中的一個特殊的數據結構，數據的存取只能從一端進行，秉承後進先出原則，push就是入棧，pop就是出棧。凡是與函數調用相關的操作，都與棧緊密相關
如果運算中需要加載內存中的數據，需垚通過DS找到內存中的數據，加載到通用寄存器中，對於一個段，有一個起始的地址，而段內的具體位置，我們稱爲偏移量(Offset)，在CS和DS中都存着一個段的起始地址。代碼段的偏移量在IP寄存器中，數據段的偏移量會放到通用寄存器中。CS和DS都是16位的，起始地址都是16位的，IP寄存器和通用寄存器也都是16位的，偏移量也是16位的，但是8086的地址總線地址是20位，方法就是起始地址16+偏移量，也就是把CS和DS中的值左移4位，變成20位，加上16位的偏移量，這樣就可以得到20位的數據地址。從這個計算方式可以算出，無論真正的內存多麼大，對於只有20位地址總現的8086來講，能夠分出的地址也就2^20=1M,超過這個空間就訪問不到了。如果你想訪問1M+X的地方，這個位置已經超出20位了，由於地址總線只有20位，在總線上超過20位的部分是發不出去的，所以發出去的還是X，最後還是會訪問1M內的X的位置。那麼一個段最大是多大，因爲偏移量只能是16位的，所以一個段最大的大小爲2^16=64K。對於8086CPU，最多隻能訪問1M的內存空間，還要分成多個段，每個段最多64k，不過在當時已經足夠使用了。
- 32位處理器
在32位處理器中有32根地址總線，可以訪問2^32=4G的內存。既然是開放的就需要保持兼容，首先，通用寄存器有擴展，可以將8個16位的擴展到8個32位的，但是依然可以保留16位的和8位的使用方式，其中指向下一條指令的指令指針寄存器IP，就會擴展成32位的，同樣也兼容16位的。
而改動比較大，有點不兼容的就是段寄存器(segment register)，因爲原來的模式其實有一點不倫不類，因爲他沒有把16位當成一個段的起始位置，也沒有按8位或者16位擴展的形式，而是根據當時的硬件，弄了一個不上不下的20位的地址，這樣每次都要左移4位，也就意味着段的起始位置不能是任何一個地方，只是能整除16的地方。那麼我們索性重新定義，CS，SS，DS,ES仍然是16位的，但是不再是段的起始地址，段的起始地址放在內存的某個地方，這個地方是一個表格，表格的一項一項是段描述符(segment descriptor),這裏面纔是段的真正起始地址，而段寄存器保存的是在這個表格的哪一項，稱爲選擇子（selector），這樣，將一個段寄存器直接拿到的段起始地址，就變成了先間接地從段寄存器找到表格中的一項，再從表格的一項中拿到段起始地址。這樣段起始地址就會很靈活，爲了快速拿到段起始地址，段寄存器會從內存中拿到CPU的描述符高速緩存器中。這樣就會不兼容，好在後面這種模式靈活度非常高，可以保持將來一直兼容下去，前面的模式出現的時候，沒想到自己能夠成爲一個標準，所以設計就沒有這麼靈活，因而到了32位的系統架構下，我們將前一種模式稱爲實模式(Real Pattern),後一種模式稱爲保護模式(Protected Pattern).當系統剛啓動的時候，CPU是處於實模式的，這個時候和原來的模式是兼容的，當需要更多內存的時候，你可以遵循一定的規則，進行一系列的操作，然後切換到保護模式，就能用到32位CPU更強大的能力。也就是說，不能無縫兼容，但是通過切換模式兼容，也是可以接受的。
