我先告訴你寄存器是什么。

寄存器是一種物理存儲(chǔ)元件，只不過(guò)它是比一般的存儲(chǔ)介質(zhì)要快，能夠跟上cpu的步伐，所以在cpu內(nèi)部有好多這樣的寄存器用來(lái)給cpu存取數(shù)據(jù)。

先簡(jiǎn)短說(shuō)這一兩句，暫時(shí)離開(kāi)一下主題，咱們先看看相對(duì)熟悉一些的概念——緩存。

緩存也是一項(xiàng)非常偉大的發(fā)明，成功解決了速度不匹配設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，并且在一般情況下，IO是整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸，緩存的出現(xiàn)，有效減少了低速I(mǎi)O設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)頻率，從而大幅度的提升了速度。

大家對(duì)緩存一定不會(huì)陌生，生活中處處都是緩存的應(yīng)用。比如瀏覽器在請(qǐng)求一個(gè)域名的ip時(shí)：

1. 1瀏覽器內(nèi)部都有dns客戶(hù)端，它先查詢(xún)本地dns緩存中是否有該域名的ip,如果有就直接去訪(fǎng)問(wèn)該ip。如果沒(méi)有，該dns客戶(hù)端先要查找自己主機(jī)所設(shè)置的dns服務(wù)器，然后去該dns服務(wù)器去查詢(xún)ip。
2. 如果該dns服務(wù)器本地緩存中有該域名的A記錄（域名與ip地址的對(duì)應(yīng)記錄），則直接返回給瀏覽器中的dns客戶(hù)端。沒(méi)有該域名的A記錄，就通過(guò)遞歸的方式向上詢(xún)問(wèn)其它dns服務(wù)器，也許問(wèn)到了根dns服務(wù)器才找到了答案。于是這路上所有被詢(xún)問(wèn)過(guò)的dns服務(wù)器，都將此域名對(duì)應(yīng)的A記錄緩存到自己的cache中，以備下次再有相同域名查詢(xún)時(shí)好直接返回。
3. 瀏覽器中的dns客戶(hù)端得到此域名的ip地址后，也將該域名和ip放在自己的緩存中，以備下次用戶(hù)再鍵入同一域名時(shí)，避免再查一次ip。
4. 瀏覽器開(kāi)始通過(guò)網(wǎng)絡(luò)用http協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)該ip地址的80端口（默認(rèn)是80端口，除非特別指定）。
5. 一般情況下該ip對(duì)應(yīng)的設(shè)備不是最終的web服務(wù)器，很少有人把web服務(wù)器直接暴露在公網(wǎng)。假設(shè)該ip對(duì)應(yīng)的設(shè)備是臺(tái)網(wǎng)關(guān)（一般是硬件路由設(shè)備），該網(wǎng)關(guān)檢查本地緩存中是否有相關(guān)web服務(wù)器的緩存，若有則直接將該http請(qǐng)求分配給緩存中的web服務(wù)器。否則從服務(wù)器列表中重新分配一臺(tái)web服務(wù)器，將該http請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給該web服務(wù)器處理。隨后將該web服務(wù)器的ip地址（一般是內(nèi)網(wǎng)地址）和端口號(hào)緩存起來(lái)，以備下次該用戶(hù)的請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，依然給該web服務(wù)器。有的網(wǎng)關(guān)可以識(shí)別用戶(hù)cookie信息，從而將可以請(qǐng)求再次落到上一個(gè)請(qǐng)求的web服務(wù)器上。
6. web服務(wù)器拿到請(qǐng)求后，如果是靜態(tài)請(qǐng)求，先檢查自己的緩存中是否有該頁(yè)面的記錄，否則直接從硬盤(pán)上取出頁(yè)面，將其返回后，再存入本地靜態(tài)緩存中。如果動(dòng)態(tài)請(qǐng)求，先交給自己的cgi去處理。
7. cgi拿到請(qǐng)求后，先檢查自己的緩存系統(tǒng)如memcache，如果緩存中沒(méi)有，與數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接，向數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)出請(qǐng)求。
8. 數(shù)據(jù)庫(kù)也是先檢查自己的緩存，若沒(méi)有結(jié)果集，則從表中檢索到數(shù)據(jù)后返回，并將結(jié)果集緩存起來(lái)。
9. cgi拿到數(shù)據(jù)后，返回給web服務(wù)器。并將數(shù)據(jù)緩存到memcache中。
10. web服務(wù)器拿到了數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)返回給網(wǎng)關(guān)。由于是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，不需要緩存。
11. 網(wǎng)關(guān)拿到數(shù)據(jù)后，直接返回給瀏覽器。
12. 如果瀏覽器發(fā)現(xiàn)其中有靜態(tài)數(shù)據(jù)，如圖片，也將靜態(tài)數(shù)據(jù)緩存到用戶(hù)的internet 臨時(shí)目錄。

您看，就這么一個(gè)不起眼的網(wǎng)頁(yè)請(qǐng)求，就經(jīng)過(guò)了12步，幾乎每一步都要緩存結(jié)果，當(dāng)然每一層的緩存都有一定的失效時(shí)間，超過(guò)多少秒后就將緩存中的記錄置為無(wú)效。這其中還有另外一個(gè)術(shù)語(yǔ)，如果緩存中恰好有需要的內(nèi)容，這就稱(chēng)為命中hit，否則稱(chēng)為缺失mis。

其實(shí)上面的緩存，我還沒(méi)說(shuō)全呢，硬件之間還有緩存呢，比如硬盤(pán)控制器和硬盤(pán)……得，您還是打住吧，我是來(lái)學(xué)操作系統(tǒng)的，您跟我說(shuō)這干嗎，還說(shuō)了12個(gè)步驟，這與我何干？

兄弟稍安誤燥，待小弟細(xì)細(xì)道來(lái)。前面所說(shuō)的各種緩存，是為了引出cpu中的緩存。cpu中的一級(jí)緩存L1，二級(jí)緩存L2，它們都是SRAM，即靜態(tài)隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器，它是最快的存儲(chǔ)器啦。也許您又說(shuō)：“是啊，這個(gè)我知道，那又怎么樣？”

好啦不賣(mài)關(guān)子啦，也許您只聽(tīng)說(shuō)L1、L2、SRAM，但您可能不知道的是，SRAM是用寄存器來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，這就是SRAM快的原因。而寄存器為什么快呢？原因是，寄存器是使用觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的，這也是一種存儲(chǔ)電路，工作速度極快，是納秒級(jí)別的，您想寄存器能不快嗎，這和cpu的速度是一個(gè)級(jí)別啦。硬件我也不是很了解，所以只能跟您說(shuō)到這了，點(diǎn)到為止，對(duì)于硬件背后的原理，咱們蜻蜓點(diǎn)水即可。

巧婦難為無(wú)米之炊，不管是指令還是數(shù)據(jù)，cpu內(nèi)部總該有個(gè)地方存放它們，否則cpu這位巧婦連鍋都沒(méi)有，還怎么給大家燒一桌好菜呢。所以，寄存器是給cpu處理數(shù)據(jù)的場(chǎng)所。

到這里，大家心里應(yīng)該對(duì)寄存器有個(gè)感性認(rèn)識(shí)了，這樣學(xué)起來(lái)，似乎看得見(jiàn)摸得著了。

cpu中的寄存器大致上分為兩大類(lèi)：

• λ 一類(lèi)是其內(nèi)部使用的，對(duì)程序員不可見(jiàn)。“是否可見(jiàn)”不是說(shuō)寄存器是否能看得見(jiàn)，是指程序員是否能使用。cpu內(nèi)部有其自己的運(yùn)行機(jī)制，是按照某個(gè)預(yù)定框架進(jìn)行的，為了cpu能夠運(yùn)行下去，必然會(huì)有一些寄存器來(lái)做數(shù)據(jù)的支撐，給cpu內(nèi)部的數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)空間。這一部分對(duì)外是不可見(jiàn)的，我們無(wú)法使用它們。比如全局描述符表寄存器GDTR，中斷描述符表寄存器IDTR，局部描述符表寄存器LDTR，任務(wù)寄存器TR，控制寄存器CR0~3，指令指針寄存器IP，標(biāo)志寄存器flags，調(diào)試寄存器DR0~7。
• λ 另一類(lèi)是對(duì)程序員可見(jiàn)的寄存器。我們進(jìn)行匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)時(shí)，能夠直接操作的就是這些寄存器。如段寄存器，通用寄存器。

雖說(shuō)第一類(lèi)的程序是不可見(jiàn)寄存器，我們沒(méi)辦法直接使用，但它們中的一部分還得由咱們給初始化呢。比如全局描述符表寄存器GDTR，以后咱們還要通過(guò)lgdt指令為其指定全局描述符表的地址及偏移量。對(duì)于中斷描述符表寄存器IDTR，咱們也是要通過(guò)lidt指令為其指定中斷描述符表的地址。而局部描述符表寄存器LDTR，可以用lldt指令為其指定局部描述符表ldt（但我們效仿了現(xiàn)代操作系統(tǒng)，未用局部描述符表ldt）。對(duì)于任務(wù)寄存器TR，我們也要用ltr指令為其在指定一個(gè)任務(wù)狀態(tài)段tss。對(duì)于flags寄存器，我們也有辦法設(shè)置它，系統(tǒng)提供了pushf和popf指令，分別用于將flags寄存器的內(nèi)容壓入棧，將棧中內(nèi)容彈到flags寄存器。額外說(shuō)一句，ldt和tss都位于gdt中。這些方面的內(nèi)容咱們?cè)趯W(xué)習(xí)保護(hù)模式后都會(huì)講到。

在實(shí)模式下，默認(rèn)用到的寄存器都是16位寬，咱們說(shuō)說(shuō)具體的寄存器吧。段寄存器是做啥的呢。說(shuō)到段寄存器存在的理由，得先說(shuō)到內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制。cpu是用“段基址：段內(nèi)偏移地址”的形式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存的，如果您對(duì)此訪(fǎng)存形式不了解，前面第0章中有解釋過(guò)分段，而且在下一節(jié)中也是講內(nèi)存分段的理由。您合理安排閱讀。

現(xiàn)在假設(shè)您已經(jīng)了解分段機(jī)制啦，上面提到的“段基址：段內(nèi)偏移地址”中的段基址，就是用段寄存器來(lái)存儲(chǔ)的，段寄存器的作用就是指定一片內(nèi)存的起始地址，故也稱(chēng)為段基址寄存器。盡管段基址在實(shí)模式下要乘以16，在保護(hù)模式下只是個(gè)選擇子（保護(hù)模式中會(huì)講），但其作用就是指定一片內(nèi)存的起始地址。而段內(nèi)偏移地址，顧名思義，僅僅相對(duì)于此起始地址的偏移量。

訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存，是要通過(guò)地址總線(xiàn)，給地址總線(xiàn)一個(gè)數(shù)字（也就是地址），地址總線(xiàn)就能找到以該數(shù)字為地址的內(nèi)存?？墒沁@個(gè)數(shù)字是哪來(lái)的呢？對(duì)于首次訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存之前，其內(nèi)存地址肯定是要放在與內(nèi)存不同的存儲(chǔ)介質(zhì)中更合適也更容易。如果用內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)內(nèi)存地址，首先訪(fǎng)問(wèn)該內(nèi)存就是個(gè)問(wèn)題，該內(nèi)存的地址是什么？這就跟先有雞還是先有蛋的本源問(wèn)題一樣了。您可能會(huì)有疑問(wèn)，地址也只是個(gè)數(shù)字，把數(shù)字存放在內(nèi)存中有什么不行的。我這里所說(shuō)的并不是內(nèi)存尋址，您說(shuō)的這個(gè)數(shù)字只是該內(nèi)存單元中的內(nèi)容，這是內(nèi)存尋址，前提是您已經(jīng)給地址總線(xiàn)提交了保存該數(shù)字的內(nèi)存地址。我說(shuō)的是，提交給地址總線(xiàn)的地址，是從哪里獲得的。不知道我說(shuō)清楚了沒(méi)有，再舉個(gè)例子，我想用木材做一個(gè)船模，我不可能還用木質(zhì)工具去加工它，只能用鐵器等比木更硬的材料通過(guò)削、磨等方式將它加工出來(lái)。換在計(jì)算機(jī)中也一樣，訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存就要提供地址，初次訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存時(shí)，該地址要么用立即數(shù)，要么存儲(chǔ)在某個(gè)存儲(chǔ)器中能讓cpu取出來(lái)再訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存，肯定不能用內(nèi)存本身來(lái)存。由于寄存器比內(nèi)存更高級(jí)，cpu更能接受，所以就用寄存器來(lái)存儲(chǔ)內(nèi)存地址。由于要指定的是內(nèi)存中的一段區(qū)域的起始地址，所以稱(chēng)之為段基址寄存器，也稱(chēng)段寄存器,無(wú)論是在實(shí)模式下還是保護(hù)模式下，它們都是16位寬。

下面就是實(shí)模式下的段寄存器

代碼段簡(jiǎn)而言之就是把所有指令都連續(xù)排放在一起，形成了一個(gè)全部都是指令的區(qū)域，里面存儲(chǔ)的是指令的操作碼及尋址方式等。該區(qū)域可以在硬盤(pán)上的文件中，也可以是被加載后的內(nèi)存中?？傊且欢沃噶顓^(qū)域，它們內(nèi)部都是緊湊挨著的，內(nèi)容形式完全一樣，只是存放的介質(zhì)不一樣而已。代碼段寄存器CS就是用來(lái)指向內(nèi)存中這段指令區(qū)域的起始地址。具體程序分段的解釋?zhuān)梢?jiàn)第0章。

數(shù)據(jù)段和代碼段類(lèi)似，只是這段區(qū)域中的內(nèi)容不是指令而是純粹的數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)里面存儲(chǔ)的是程序運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)，屬于指令的操作數(shù)。數(shù)據(jù)段寄存器DS便是用來(lái)指向此數(shù)據(jù)區(qū)域的起始地址。

棧段是在內(nèi)存中，硬盤(pán)文件中可真沒(méi)有。一般的棧段是由操作系統(tǒng)分配指定的，所以是屬于被加載到內(nèi)存后才有的。本章后面還會(huì)講棧，這里大家就先當(dāng)它是一段內(nèi)存區(qū)域就好。棧段寄存器SS就是用來(lái)指向此區(qū)域的起始地址。

代碼段、數(shù)據(jù)段、棧段寄存器從名字上就較容易理解，那三個(gè)附加段寄存器是干嗎的？其實(shí)就是多給大家提供幾個(gè)段寄存器用而已，多幾個(gè)寄存器用不是更好嗎，省得緊巴巴的，純粹是為了方便大家。

值得說(shuō)明的是，在16位cpu中，只有一個(gè)附加段寄存器——ES。而FS和GS附加段寄存器是在32位cpu中增加的。我們使用的是32位cpu，并不是說(shuō)32位cpu在實(shí)模式下的16位環(huán)境中就不能用FS和GS寄存器。32位的cpu是兼容16位cpu的特性，就像一個(gè)小學(xué)生也可以穿中學(xué)生的衣服一樣，無(wú)非是多用了個(gè)可用的資源。

IP寄存器是不可見(jiàn)寄存器，CS寄存器是可見(jiàn)寄存器。這兩個(gè)配合在一起后就是cpu的羅盤(pán)，它們是給cpu導(dǎo)航用的。cpu執(zhí)行到何處，完成要聽(tīng)這兩個(gè)寄存器的安排。為什么要用兩個(gè)寄存器？因?yàn)橹噶钍窃趦?nèi)存中，訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存就要用“段：段內(nèi)偏移”的形式，所以CS寄存器用來(lái)存代碼段段基址，IP寄存器用來(lái)存儲(chǔ)代碼段段內(nèi)偏移地址，同CS寄存器一樣都是16位寬。

其實(shí)這兩個(gè)寄存器沒(méi)什么神奇的，并不是它們真的決定了cpu的航向，只是cpu的航向被存入了這兩個(gè)寄存器之中。之前說(shuō)過(guò)啦，指令在邏輯上是緊湊的，這樣cpu便能連續(xù)不斷的執(zhí)行下去，天荒地老，直到斷電。cpu執(zhí)行完一條指令后，順便就把下一條指令的內(nèi)存地址讀進(jìn)來(lái)。注意看，讀入的是下一條指令的內(nèi)存地址，這有兩個(gè)關(guān)鍵字，一個(gè)是內(nèi)存，一個(gè)是地址。剛剛說(shuō)過(guò)啦，是內(nèi)存就應(yīng)該用“段基址：段內(nèi)偏移地址”的機(jī)制來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。是地址就該有地方存放。您想，即使是洗菜，菜也得先找個(gè)盤(pán)子或盆之類(lèi)的器具盛著再拿到水籠頭下沖洗。在x86體系架構(gòu)中，本著先滿(mǎn)足“段基址：段內(nèi)偏移”的形式，這個(gè)地址就分開(kāi)存到了代碼段CS寄存器和指令指針I(yè)P寄存器。在執(zhí)行當(dāng)前指令的同時(shí)，在不跨段的情況下，cpu以“當(dāng)前IP寄存器中的值+當(dāng)前執(zhí)行指令的機(jī)器碼長(zhǎng)度”的和做為新的代碼段內(nèi)偏移地址，將其存入IP寄存器，再到該新地址處讀取指令并執(zhí)行。如果下一條指令需要跨段訪(fǎng)問(wèn)，還要加載新的段基址到CS寄存器。此后，繼續(xù)重復(fù)以上“取址、執(zhí)行”的循環(huán)。

好啦，客官以后常來(lái)玩兒哦。

本節(jié)內(nèi)容摘自操作系統(tǒng)真象還原，請(qǐng)大家支持正版。

【再續(xù)】