Linux Kernel 核心中文手册(1)--硬件基础

Hardware Basic( 硬件基础知识 )
 
    一个操作系统必须和作为它的基础的硬件系统紧密配合。操作
系统需要使用一些只有硬件才能提供的功能。为了完整的了解 Linux ，
你需要了解底层硬件的基础知识。本章对于现代 PC 的硬件进行了。
 
    1975 年 1 月“ Popular Electronics ”杂志封面上印出了
Altair 8080 的图片，一场革命开始了。 Altair 8080 ，跟随早期
的“ Star Trek epsode ”命名，只需要 $397 ，就可由个人电子爱
好者自己组装。它拥有 Intel 8080 处理器和 256 字节内存，但是
没有屏幕和键盘。以今天的标准来衡量，它太简陋了。它的发明者，
Ed Roberts ，制造了名词“ personal computer “来命名他的发明，

但现在， PC这个名词已经用来命名几乎所有你可以不依靠帮助就可以
自己运行起来的计算机。用这个定义，甚至一些十分强大的 Alpha AXP
系统也是 PC 。
 
    爱好者们看到了 Altair
的潜力，开始为它写软件，制造硬件。对于这些早期的先驱来讲，它
代表着自由：从被神职人员控制和运行的大型批处理的主机系统中逃
脱出来的自由。你可以在自己家里甚至厨桌上拥有计算机，这使学院
的退学生为此着迷并通宵达旦。与此同时出现大量硬件，在一定程度
上各自不同，而软件专家则乐于为这些新机器撰写软件。有讽刺意味
的是， IBM 在 1981 年发布了 IBM PC 并于 1982 年早期供货，从此
定义了现代 PC 的模型。它拥有 Intel 8088 处理器， 64K 内存
（可以扩充到 256K ），两个软驱和一个 80x25 的彩色图卡 (CGA)
，用今天的标准衡量，它功能不算很强，但是它销售的不错。 1983 年，
紧接着推出的 IBM PC-XT ，则拥有一个豪华的 10M 硬盘。不久大批公
司如 Compaq 开始制造 IBM PC 的复制品， PC 的结构成为了事实的
标准。这个事实的标准使大批硬件公司可以在这个不断增长的市场上
一起竞争，反过来，可以遏制价格，让用户满意。现代 PC 承袭了早
期 PC 的许多系统体系特征。甚至基于最强大的 Intel Pentium Pro
的系统也可以运行 Intel 8086 的寻址模式。当 Linus Torvalds 开
始开发后来的 Linux 时，他选择了当时最常见和价格最合理的硬件平
台：一台 Intel 80386 PC 。

 
从 PC 的外面看，最明显的部件就是机箱、键盘、鼠标和显示器。在
机箱的前面有一些按钮，一个小屏幕显示一些数字，还有一个软驱。现
在的大多数系统还有一个 CD-ROM 期、驱动器。如果你需要保护你的数
据，那么还会有一个备份用的磁带机。这些设备一律被看作外设。
 
虽然 CPU 管理整个系统，但它并不是唯一的智能设备。所有的外设控
制器，例如 IDE 控制器，也都拥有一定程度的智能。在 PC 内部
（图 1.1 ），你可以看到一个主板，包括 CPU 或微处理器、内存和一
些 ISA 或 PCI 外设控制卡的槽位。其中一些控制器，如 IDE
磁盘控制器可能内置在系统主板上。 　
 
 
CPU
 
 
CPU，或者说微处理器，是所有计算机系统的心脏。微处理器进行数学运
算，逻辑操作并从内存中读取指令并执行指令，进而控制数据流向。计算
机发展的早期，微处理器的各种功能模块是由相互分离（并且尺寸上十分
巨大）的单元构成。这也是名词“中央处理单元”的起源。现代的微处
理器将这些功能模块集中在一块非常小的硅晶片制造的集成电路上。在本
书，名词 CPU 、微处理器和处理器交替使用。

 
   微处理器处理二进制数据：这些数据由 1 和 0 组成。这些 1 和 0 对
应电气开关的开或关。就好像 42 代表 4 个 10 和 2 个单元，二进制数字
由一系列代表 2 的幂数的数字组成。这里，幂数意味着一个数字用自身相
乘的次数。 10 的一次幂是 10 ， 10 的 2 次幂是 10x10 ，
10 的 3 次幂是 10x10x10 ，依此类推。二进制 0001 是十进制 1 ，二进
制数 0010 是十进制 2 ，二进制 0011 是十进制 3 ，二进制 0100 是十进
制 4 ，等等。所以，十进制 42 是二进制 101010 或者（ 2+8+32 或 21+23+25
）。在计算机程序除了使用二进制表示数字之外，另一种基数， 16 进制，
也经常用到。在这种进制中，每一位数字表示 16 的幂数。因为十进制数字
只是从 0 到 9 ，在十六进制中 10 到 15 分别用字母 A ， B ， C ， D ，
E ， F 表示。例如，十六进制的 E 是十进制的 14 ，而十六进制的 2A 是
十进制的 42 （ 2 个 16+10 ）。用 C 语言的表示法（本书一直使用），十
六进制数字使用前缀“ 0x ”：十六进制的 2A 写做 0x2A 。
 
    微处理器可以执行算术运算如加、乘和除，也可以执行逻辑操作例如“ X
是否大于 Y ”。
 
    处理器的执行由外部时钟控制。这个时钟，即系统时钟，对处理器产生稳
定的时钟脉冲，在每一个时钟脉冲里，处理器执行一些工作。例如，处理器可
以在每一个时钟脉冲里执行一条指令。处理器的速度用系统时钟的频率来描述。
一个 100Mhz 的处理器每秒钟接受到 100 ， 000 ， 000 次时钟脉冲。用时钟

频率来描述 CPU 的能力是一种误解，因为不同的处理器在每一次时钟脉冲中执
行的工作量不同。虽然如此，如果所有的条件同等，越快的时钟频率表示处理器
的能力越强。处理器执行的指令非常简单，例如：“把内存位置 X 的内容读到
寄存器 Y 中“。寄存器是微处理器的内部存储空间，用来存储数据并进行操作。
执行的操作可能使处理器停止当前操作而转去执行内存中其他地方的指令。正是
这些微小的指令集合在一起，赋予现代的微处理器几乎无限的能力，因为它每秒
可以执行数百万甚至数十亿的指令。
 
    执行指令时必须从内存中提取指令，指令自身也可能引用内存中的数据，这
些数据也必须提取到内存中并在需要的时候保存到内存中去。
 
    一个微处理器内部寄存器的大小、数量和类型完全决定于它的类型。一个
Intel 80486 处理器和一个 Alpha AXP 处理器的寄存器组完全不同。另外， Intel
是 32 位宽而 Alpha AXP 是 64 位宽。但是，一般来讲，所有特定的处理器都
会有一些通用目的的寄存器和少量专用的寄存器。大多数处理器拥有以下特殊用
途的专用的寄存器：
 
Program Counter （ PC ）程序计数器
 
    这个寄存器记录了下一条要执行的指令的地址。 PC 的内容在每次取指令的时
候自动增加。
 

Stack Pointer （ SP ）堆栈指针
 
    处理器必须能够存取用于临时存储数据的大容量的外部读写随机存取内存
（ RAM ）。堆栈是一种用于在外部内存中存放和恢复临时数据的方法。通常，处
理器提供了特殊的指令用于将数据压在堆栈中，并在以后需要是取出来。堆栈使用
LIFO （后进先出）的方式。换句话说，如果你压入两个值 x 和 y 到堆栈中，然后
从堆栈中弹出一个值，那么你会得到 y 的值。
 
一些处理器的堆栈向内存顶部增长，而另一些向内存的底部增长。还有一些处理器
两种方式都可以支持，例如： ARM 。
 
Processor Status （ PS ）
 
    指令可能产生结果。例如：“ X 寄存器的内容是否大于 Y 寄存器的内容？“
可能产生真或假的结果。 PS 寄存器保留这些结果以及处理器当前状态的其他信息。
多数处理器至少有两种模式： kernel （核心态）和 user （用户态）， PS
寄存器会纪录能够确定当前模式的那些信息。
 
Memory( 内存 )
    所有系统都具有分级的内存结构，由位于不同级别的速度和容量不同的内存组成。
 
    最快的内存是高速缓存存储器，就象它的名字暗示的一样 -

用于临时存放或缓存主内存的内容。这种内存非常快但是比较昂贵，因此多数处理器
芯片上内置有少量的高速缓冲存储器，而大多数高速缓存存储器放在系统主板上。一
些处理器用一块缓存内存同时缓存指令和数据，而另一些处理器有两块缓存内存 - 一
个用于指令，另一个用于数据。 Alpha AXP 处理器有两个内置的内存高速缓存存储器：
一个用于数据（ D-Cache ），另一个用于指令（ I-Cache ）。它的外部高速缓冲存
储器（或 B-Cache ）将两者混在一起。
 
    最后一种内存是主内存。相对于外部高速缓存存储器而言速度非常慢，对于 CPU
内置的高速缓存存储器，主内存简直是在爬。
高速缓存存储器和主内存必须保持同步（一致）。换句话说，如果主内存中的一个字
保存在高速缓存存储器的一个或多个位置，那么系统必须保证高速缓存存储器和主内
存的内容一样。使高速缓冲存储器同步的工作一部分是由硬件完成，另一部分则是由
操作系统完成的。对于其它一些系统
的主要任务，硬件和软件也必须紧密配合。
 
Buses （总线）
 
    系统板的各个组成部分由被称为总线的连接系统互连在一起。系统总线分为三种
逻辑功能：地址总线、数据总线和控制总线。地址总线指定了数据传输的内存位置（
地址），数据总线保存了传输的数据。数据总线是双向的，它允许 CPU 读取，也允许
CPU 写。控制总线包含了各种信号线用于在系统中发送时钟和控制信号。有许多种不
同的总线类型， ISA 和 PCI 总线是系统用于连接外设的常用方式。

 
Controllers and Peripherals （控制器和外设）
    外设指实在的设备，如由系统板或系统板插卡上的控制芯片所控制的图形卡或磁盘。
 IDE 控制芯片控制 IDE 磁盘，而 SCSI 控制芯片控制 SCSI 磁盘。这些控制器通过不
同的总线连接到 CPU 并相互连接。现在制造的大多数系统都是用 PCI 或 ISA 总线将
系统的主要部件连接在一起。控制器本身也是象 CPU 一样的处理器，它们可以看作
CPU 的智能助手， CPU 拥有系统的最高控制权。
 
    所有的控制器都是不同的，但是通常它们都有用于控制它们的寄存器。 CPU 上运
行的软件必须能够读写这些控制寄存器。一个寄存器可能包含描述错误的状态码，另一
个寄存器可能用于控制用途，改变控制器的模式。一个总线上的每一个控制器都可以分
别被 CPU 寻址，这样软件设备驱动程序就可以读写它的寄存器进而控制它。 IDE 电
缆是一个好例子，它给了你分别存取总线上每一个驱动器的能力。另一个好例子是 PCI
总线，允许每一个设备（如图形卡）被独立存取。
 
Address Spaces （寻址空间）
    连接 CPU 和主内存的系统总线以及连接 CPU 和系统硬件外设的总线是分离的。
硬件外设所拥有的内存空间称为 I/O 空间。 I/O 空间本身可以再进一步划分，但是
我们现在先不讨论。 CPU 可以访问系统内存空间和 I/O 空间，而控制器只能通过
CPU 间接访问系统内存。从设备的角度来看，比如软驱控制器，它只能看到它的控制
寄存器所在的地址空间（ ISA ），而非系统内存。一个 CPU 用不同的指令去访问内存
和 I/O 空间。例如，可能有一条指令是“从 I/O 地址 0x3f0 读取一个字节到 X 寄存

器“。这也是 CPU 通过读写系统硬件外设处于 I/O 地址空间的寄存器从而控制外设的
方法。在地址空间中，普通外设（如 IDE 控制器，串行端口，软驱控制器等等）的寄
存器在 PC 外设的多年发展中已经成了定例。 I/O 空间的地址 0x3f0 正是串行口
（ COM1 ）的控制寄存器的地址。
 
    有时控制器需要直接从系统内存读取大量内存，或直接写大量数据到系统内存中
去。比如将用户数据写到硬盘上去。在这种情况下，使用直接内存存取（ DMA ）控制
器，允许硬件设备直接存取系统内存，当然，这种存取必须在 CPU 的严格控制和监管
下进行。
 
 
Timer( 时钟 )
 
    所有操作系统需要知道时间，现代 PC 包括一个特殊的外设，叫做实时时钟
（ RTC ）。它提供了两样东西：可靠的日期和精确的时间间隔。 RTC 有自己的电池，
所以即使 PC 没有加电，它仍在运行。这也是为什么 PC 总是“知道”正确的日期
和时间。时间间隔计时允许操作系统精确地调度基本工作。