轉自：http://www.cnblogs.com/worldisimple/articles/2447577.html
一、概述處理器（CPU）
1.1 處理器位數
在intel處理器的X86系列中，包含8086和8088的16位處理器，以及從80386（即i386）開始的32位處理器，而如今又有X86-64架構的64位處理器。
那這些16位，32位和64位又有什么意義了？位數越高，處理器的尋址能力越強，則可以支持越大的物理內存。具體如下表（可見對於64位處理器的尋址范圍已經是非常之大）：
| 處理器位數 |
可支持的物理內存大小 |
尋址范圍 |
| 16 |
2^16 = 64K |
0x0000 ~ 0xffff |
| 32 |
2^32 = 4G |
0x00000000 ~ 0xffffffff |
| 64 |
2^64 |
在平時安裝操作系統時候，經常會問是要裝32位系統還是64位系統？對於32位處理器，只能安裝32位的系統，不能安裝64位系統。對於64位處理，既能夠安裝32位的系統，也可以安裝64位的系統。在Linux下可以通過下面的方面查詢系統裝的是幾位的：
(1) 查看根目錄下是否有有lib64目錄。32位系統只有/lib一個目錄，64位的系統會有/lib64和/lib兩個目錄。
(2) 執行getconf LONG_BIT命令查看返回結果。32位的系統中long類型是4字節（32位），64位的系統中long類型已變成了8字節（64位）。
(3) 執行uname -i命令。32位的系統返回i386，64位的系統放回x86_64。
(4) 執行file /bin/ls命令。
32位系統返回如下結果：
/bin/ls: ELF 32-bit LSB executable, Intel 80386, version 1 (SYSV), for GNU/Linux 2.2.5,dynamically linked (uses shared libs), stripped
64位系統返回如下結果：
/bin/ls: ELF 64-bit LSB executable, AMD x86-64, version 1 (SYSV), for GNU/Linux 2.6.9,dynamically linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.6.9, stripped
1.2 處理器的寄存器
寄存器是處理器的組成部分，是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來暫存指令、數據和位址。寄存器的訪問速度在所有存儲階層（見下圖）是最快的。
在大學學習匯編時候，還用寄存器來寫匯編程序，現在也忘記差不多了，這邊就大致記錄一下處理器分別有哪些寄存器。
在8086中，所有的寄存器都是16位的。
在80386中，寄存器的發生的變化如下：
(1) 把16位的通用寄存器、指令指針寄存器以及標志寄存器擴充為32位的寄存器。
(2) 段寄存器仍然為16位，並增加2個16位的段寄存器。
| 寄存器的分類 |
32位CPU寄存器 |
16位CPU寄存器 |
主要用途 |
|
| 通 用 寄 存 器 |
數據 寄存器 |
EAX |
AX |
乘、除運算，字的輸入輸出，中間結果的緩存 |
| EBX |
BX |
存儲器指針 |
||
| ECX |
CX |
串操作、循環控制的計數器 |
||
| EDX |
DX |
字的乘、除運算，間接的輸入輸出 |
||
| 變址 寄存器 |
ESI |
SI |
存儲器指針、串指令中的源操作數指針 |
|
| EDI |
DI |
存儲器指針、串指令中的目的操作數指針 |
||
| 變址 寄存器 |
EBP |
BP |
存儲器指針、存取堆棧的指針 |
|
| ESP |
SP |
堆棧的棧頂指針 |
||
| 指令指針寄存器 |
EIP |
IP |
存放下一條將要執行指令的偏移量，偏移量加上當前代碼段的基地址，就形成了下一條指令的地址。 |
|
| 標志位寄存器 |
EFLAG |
FLAG |
||
| 段寄存器 |
CS |
CS |
代碼段寄存器 |
|
| DS |
DS |
數據段寄存器 |
||
| SS |
SS |
堆棧段寄存器 |
||
| ES |
ES |
附加數據段寄存器 |
||
| FS |
- |
32位CPU新增加的附加數據段寄存器 |
||
| GS |
- |
32位CPU新增加的附加數據段寄存器 |
||
(3) 增加4個32位的控制寄存器（CR0、CR1、CR2 和CR3），在進程管理及虛擬內存管理中會涉及到CR0（其中有2位分別用於指示運行在實模式/保護模式和是否開啟分頁機制）、CR2以及CR3（是頁目錄基址寄存器，保存頁目錄表的物理地址）這幾個寄存器。
(4) 增加4個系統地址寄存器，具體如下：
全局描述符表寄存器GDTR（Global Descriptor Table Register），是48位寄存器，用來保存全局描述符表（GDT）的32位基地址和16位GDT的界限。
中斷描述符表寄存器IDTR（Interrupt Descriptor Table Register），是48位寄存器，用來保存中斷描述符表（IDT）的32位基地址和16位IDT的界限。
局部描述符表寄存器LDTR（Global Descriptor Table Register），是16位寄存器，保存局部描述符表LDT段的選擇符。
任務狀態寄存器TR（Task State Register）是16位寄存器，用於保存任務狀態段TSS段的16位選擇符。
(5) 增加8個32位調式寄存器DR0~DR7。
(6) 增加2個32位測試寄存器TR6和TR7。
二、內存管理
下面的內容主要依賴於80386的32位處理器的保護模式下。
2.1 內存地址
物理內存單元的實際地址即物理地址。32位的處理器尋址范圍為0x00000000 ~ 0xffffffff，支持4G的物理內存大小。
程序產生的段選擇符與段相關的偏移地址部分構成了邏輯地址。在實模式下，沒有分段或分頁機制，邏輯地址和物理地址是相等的，不需要地址轉換可以直接訪問物理內存。但是在保護模式下，邏輯地址需要轉換成物理地址，才能訪問物理內存。那么，這個時候需要處理器中的內存管理單元（MMU）將邏輯地址映射為物理地址，來進行地址轉換（如下圖）。
那么，MMU是怎么將邏輯地址轉換成物理地址？
MMU是一種硬件電路，它包含兩個部件，一個是分段部件，一個是分頁部件，通過分段機制（把一個邏輯地址轉換為線性地址，線性地址也是32位，其地址取值范圍為0x00000000~0xffffffff）和分頁機制（把一個線性地址轉換為物理地址），最終將邏輯地址映射為物理地址。如下圖：
2.2 分段機制
在操作系統原理關於分段的說明：段的分配時為了更好的滿足用戶，段的長度不固定，由用戶定義，每個段都有自己的地址空間（通過基址包含某物理內存的地址，和長度值來表示段的長度），表示一個地址需要給出段部分（選擇符）和偏移部分。如下圖，如果沒有分頁的話，那么圖中的線性地址也就是物理地址，這種方式對於段的離散分配就很容易導致碎片問題（進而使用分頁機制來提高內存利用率）：
在Linux中，主要設置了：內核代碼段，內核數據段，用戶代碼段，用戶數據段。而且每個段的基地址對應線性地址都是為0，而且都可以使用4G的地址空間，相當與繞過了邏輯地址和線性地址的映射，從而完全利用了分頁機制。另外，分段中怎樣使用段寄存器可以參考：http://book.51cto.com/art/200812/103305.htm
2.3 分頁機制
通過使用分頁機制可以很好的提高內存利用率。分頁機制把一個線性地址轉換為物理地址。Linux下一個頁大小為4K，把線性地址（32位）和物理地址（32位，2^32=4G物理內存）都按照4K（2^12）頁大小來進行划分，那么，一共有4G/4K=1M的頁面，如果只是簡單的進行線性地址和物理地址一對一記錄映射的話，這樣在映射表建立的就會占用比較大的物理內存。這個時候就引入了頁表和頁目錄表，地址轉換過程見下圖：
(1) 通過對32位線性地址划分：第31~22這10位（2^10=1024）定位頁目錄項，第21~12這10位定位頁表項，第11~0這12位（2^12=4K）為頁內偏移值。
(2) 對於頁目錄表，有1024個頁目錄項，每個頁目錄項（又含有1024個頁表項）指向下一級頁表的物理地址（32位=4個字節），那么一共需要1024*4（=4K）字節，即只要分配一頁就可以完全存放。
(3) 對於頁表，原理和頁目錄表一樣，那么一共需要1024（1024個頁目錄項）*1024（每個頁目錄項含有1024個頁表項）*4（=1M）字節。
(4) 對於頁目錄的物理地址，就存放在CR3寄存器中。
所以，這樣可以尋址1024*1024*4K=4G的物理內存。另外，在Linux的X86架構引入了3級頁表機制（包括了頁全局目錄、頁中間目錄和頁表）。
【參考】
2、OReilly.Understanding.the.Linux.Kernel.3rd.Edition
3、PPT: http://www.docin.com/p-54896290.html
4、http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-memmod/
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