簡而易懂的CPU和MMU畫圖講解

我們知道，程序文件一般放在硬盤上，當把程序運行起來產生進程是，程序被放入內存中，通過內存放入cache，通過cache進入cpu，進入cpu的是程序的一條條指令，即01組合，下圖中預取器就是負責從cache取出指令，然後由譯碼器譯碼，譯碼的作用就是要知道需要哪些寄存器配合完成指令，如該指令是一個加法運算，則譯碼器譯碼後發現需要使用到add，eax和ebx寄存器，然後交給ALU算數邏輯單元進行算數運算，結果放回寄存器，再放入cache，再放入內存，之後交給IO總線，再交給物理設備顯示到屏幕上。

下圖是一個0到4G的虛擬地址空間，.text存放代碼，.data存放數據，heap是堆區，stack是棧區，這0到3G是用戶區，3到4G是內核區，當程序運行的時候便會產生這樣一個虛擬地址空間，程序運行時所需的所有資源都放到虛擬內存中。虛擬內存不是真實存在的，圖中所示的4G大小的虛擬內存是指程序運行可用的地址空間有4G，程序運行的資源最終還是要放到物理內存中。那虛擬地址和物理地址如何對應？就是使用MMU。MMU：內存管理單元，用於完成虛擬內存和物理內存的映射，位於CPU內部；MMU將虛擬內存映射到物理內存，以及設置修改CPU的訪問級別，如printf函數，要調用系統函數write，要進入內核空間，此時CPU的訪問級別由3級用戶空間轉換到0級內核空間。

下圖所示爲在同一個機器上運行兩份可執行程序a.out，產生兩個虛擬地址空間，其中，兩個進程的用戶態虛擬地址被MMU映射到物理內存的不同地址，但是內核態映射到同一個地址（針對單核來講），而PCB雖然位於內核中，兩個進程的PCB是不一樣的，只是位於同一個物理地址處。

綜上，程序運行的時候產生虛擬地址空間，預取器取處指令後需要MMU的配合，將虛擬地址映射到物理地址才能正在取出數據。