從4004到core i7：處理器的進(jìn)化史 (3)-3-真正的CPU

　　上一個(gè)帖子中我把4004作為所有后續(xù)的性能越來(lái)越高的處理器的鼻祖。在這個(gè)貼之中我們來(lái)討論CPU進(jìn)化史中的第一個(gè)里程碑：80286處理器。

　　從4004到8008再到8080甚至是8086，CPU的進(jìn)化在逐漸進(jìn)行著。晶體管數(shù)量翻了幾番，主頻翻了幾番，但是內(nèi)部的結(jié)構(gòu)的變化還不足以引起我們的興趣為之單獨(dú)寫(xiě)一個(gè)帖子。

　　這一切在80286都發(fā)生了徹底的改變。

　　當(dāng)CPU的功能變得越來(lái)越強(qiáng)大，速度變得越來(lái)越快的時(shí)候，人們漸漸地不滿(mǎn)足于讓它只做一件事情，比如說(shuō)IBM Displaywriter，而想要讓它具有完成多個(gè)任務(wù)的能力。

　　多個(gè)任務(wù)意味著不同功能的多段程序，這樣多的程序不大可能由intel一家或者末端用戶(hù)自己全部寫(xiě)出來(lái)。也就是說(shuō)，我們的CPU可能出現(xiàn)很多不同的程序提供者。

　　一個(gè)很自然的想法就是，這么多程序員中間必然有很多不靠譜的(別忘了，當(dāng)時(shí)匯編都是個(gè)新鮮玩意呢)，以及很多靠譜但心懷不軌的。要想讓CPU正常有序地運(yùn)行多段程序，沒(méi)有某種管理機(jī)制看來(lái)是行不通的。

　　于是乎思路就很明顯了，程序要按照受信任的程度分成三六九等。不靠譜的、心懷叵測(cè)的程序不受信任，雖然可以在占據(jù)CPU的這一小段時(shí)間里肆虐，卻不應(yīng)該危害到其他程序，更不應(yīng)該危害到監(jiān)察者的安全。

　　對(duì)于一段程序來(lái)說(shuō)，能干的壞事無(wú)非就是更改一下其他程序的狀態(tài)，也就是內(nèi)存里的數(shù)據(jù)，或者是執(zhí)行一段來(lái)路不明的代碼。如果能禁止這兩者的發(fā)生那么基本上就不會(huì)鬧出什么大亂子出來(lái)。

　　有了上面這個(gè)思路，再看一看下面intel的實(shí)現(xiàn)就顯得很自然了：

　　在上圖中，連續(xù)的物理內(nèi)存被分成了很多個(gè)段(segment)，內(nèi)存單元的邏輯地址采用段基址+偏移的方式描述。，每個(gè)段有自己的訪問(wèn)權(quán)限，每個(gè)程序都有一個(gè)從3~0的權(quán)限界別(這4個(gè)級(jí)別一直被沿用至今天)。如果當(dāng)前這段程序想要訪問(wèn)某一個(gè)內(nèi)存，或者想執(zhí)行某一段代碼，就必須經(jīng)受硬件完成的權(quán)限檢查，只有當(dāng)權(quán)限高于等于想要訪問(wèn)內(nèi)存的權(quán)限時(shí)才允許訪問(wèn)，否則就會(huì)拋出錯(cuò)誤。關(guān)于硬件錯(cuò)誤的拋出、處理后面還要再提，這里我就不講了。

　　由于這種權(quán)限制度保護(hù)了內(nèi)存免受其惡意或不靠譜程序的侵害，因此這種狀態(tài)被稱(chēng)為CPU的保護(hù)模式。今天的幾乎所有桌面級(jí)別和以上的處理器都運(yùn)行在保護(hù)模式下。上面提到的3~0的權(quán)限級(jí)別的劃分也為后來(lái)的操作系統(tǒng)(operating system)奠定了基礎(chǔ)。

　　80286的另一個(gè)進(jìn)步(實(shí)際上是8086相對(duì)于之前的進(jìn)步)可以在下面這張圖中看出來(lái)

　　左上方的address unit就是上面講到的分段機(jī)制對(duì)應(yīng)的硬件。它的工作就是查映射表由邏輯地址得到實(shí)際的物理地址，并且進(jìn)行權(quán)限檢查。右上方的bus unit中我們感興趣的部分是最下面的8 byteprefetch queue和下方的instruction unit。

　　在左下方的execution unit以及左上方的address unit在執(zhí)行某一個(gè)指令的同時(shí)，右下方的instruction unit在解碼后面的若干條指令。

　　對(duì)比前面的4004，我們發(fā)現(xiàn)286并不是等待一條指令完全執(zhí)行完畢之后才開(kāi)始執(zhí)行下一條的。相反地，在286內(nèi)部可能有若干條指令處于不同的狀態(tài)：一條正在被ALU等部件實(shí)際執(zhí)行，其余的可能已經(jīng)完成了取指正在等待譯碼，或者譯碼都完成了就是等著執(zhí)行了。毫無(wú)疑問(wèn)，比起4004的執(zhí)行效率提高了不少。

　　這種將整個(gè)CPU劃分為2個(gè)模塊，每個(gè)模塊在同一時(shí)間執(zhí)行不同任務(wù)的思想正是流水線(pipeline)(想想汽車(chē)裝配的流水線吧)。盡管286時(shí)可能還沒(méi)有這個(gè)概念，但無(wú)疑已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最初的雛形。后面我們將要看到，流水線是我們?yōu)閿?shù)不多的優(yōu)化處理器性能的主流方法之一。