更多参考
处理器体系结构（了解CPU的基本运行原理）——《深入理解计算机系统》
CPU的实模式与保护模式（简介）
一直以来，总以为CPU内部真是如当年学习《计算机组成原理》时书上所介绍的那样，是各种逻辑门器件的组合。当看到纳米技术时就想，真的可以把那些器件做的那么小么？直到看了Intel CPU制作流程及AMD芯片的制作流程的介绍不禁感慨，原来科技是如此的发达。
本文我们以Intel为例对CPU的工作原理做简单介绍，仅仅是简单介绍，那么AMD，ARM，MIPS甚至PowerPC你应该会触类旁通才对。
还记得那是1968年7月18日，鲍勃-诺斯和戈登-摩尔的新公司在美国加利福尼亚州，美丽的圣弗朗西斯科湾畔芒延维尤城的梅多费大街365号开张了。并在成立不久斥资15000美元从一家叫INTELCO的公司手中买下了Intel名称的使用权。由此Intel这位半导体巨人开始了他在IT行业传奇般的历史。
1971年11月15日，这一天被当作全球IT界具有里程碑意义的日子而被写入许多计算机专业教科书。Intel公司的工程师特德·霍夫发明了世界上第一个微处理器—4004，这款4位微处理器虽然只有45条指令，而且每秒只能执行5万条指令。甚至比不上1946年由美国陆军宾夕法尼亚大学研制的世界第一台计算机ENIAC。但它的集成度却要高很多，一块4004的重量还不到一盅司。 他因发明了微处理器，被英国《经济学家》杂志称为“第二次世界大战以来最有影响的科学家之一”。Intel公司的CPU发展历程如下表所示：
以及后面的Pentium 1,2,3和4，再到酷睿、酷睿2，这里就不再一一列举。Intel从8086开始，就进入了我们所谓的x86时代。而80386的诞生则标志着Intel正是进入了32位微处理器的时代。从80386到Pentium 4这个年代的CPU，就是传说中的IA-32时代。
我们都知道CPU的根本任务就是执行指令，对计算机来说最终都是一串由“0”和“1”组成的序列。CPU从逻辑上可以划分成3个模块，分别是控制单元、运算单元和存储单元，这三部分由CPU内部总线连接起来。如下所示：
控制单元：
控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)等，对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中，通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器OC，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。
运算单元：
是运算器的核心。可以执行算术运算(包括加减乘数等基本运算及其附加运算)和逻辑运算(包括移位、逻辑测试或两个值比较)。相对控制单元而言，运算器接受控制单元的命令而进行动作，即运算单元所进行的全部操作都是由控制单元发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。
存储单元：
包括CPU片内缓存和寄存器组，是CPU中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器，可以减少CPU访问内存的次数，从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限，寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的，分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途，通用寄存器的数目因微处理器而异。这个是我们以后要介绍这个重点，这里先提一下。
我们将上图细化一下，可以得出CPU的工作原理概括如下：
总的来说，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止。
上图中我没有画总线，只是用逻辑方式对其进行呈现。原因早期Intel的微处理器，诸如8085，8086/8088CPU，普遍采用了地址总线和数据总线复用技术，即将部分(或全部)地址总线与数据总线共用CPU的一些引脚。例如8086外部地址总线有20根，数据总线复用了地址总线的前16根引脚。复用的数据总线和地址总线虽然可以少CPU的引脚数，但却引入了控制逻辑及操作序列上的复杂性。所以，自80286开始，Intel的CPU才采用分开的地址总线和数据总线。
不管是复用还是分开，对我们理解CPU的运行原理没啥影响，上图没画总线的目的就是怕有些人太过于追求细节，一头扎下去，浮不起来，不能从宏观上藐视敌人。
OK，总结一下，
CPU的运行原理
就是：控制单元在时序脉冲的作用下，将指令计数器里所指向的指令地址(这个地址是在内存里的)送到地址总线上去，然后CPU将这个地址里的指令读到指令寄存器进行译码。对于执行指令过程中所需要用到的数据，会将数据地址也送到地址总线，然后CPU把数据读到CPU的内部存储单元(就是内部寄存器)暂存起来，最后命令运算单元对数据进行处理加工。周而复始，一直这样执行下去，天荒地老，海枯枝烂，直到停电。
如果你对这段话还是觉得比较晕乎，那么就看我们老师是怎么讲的：
1、取指令：CPU的控制器从内存读取一条指令并放入指令寄存器。指令的格式一般是这个样子滴：
操作码就是汇编语言里的mov,add,jmp等符号码；操作数地址说明该指令需要的操作数所在的地方，是在内存里还是在CPU的内部寄存器里。
2、指令译码：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作(就是指令里的操作码)、操作数在哪里(操作数的地址)。
3、 执行指令，分两个阶段“取操作数”和“进行运算”。
4、 修改指令计数器，决定下一条指令的地址。
关于CPU我们从宏观上把握到这个程度就OK了，后面我们会逐步进入微观阶段，依次介绍80X86寄存器及其用途，NASM汇编和AT&T的区别，以及C代码中嵌入的汇编语言的写法。之所以介绍汇编语言目的不是说用汇编去写代码，那是相当的不现实，除非你是硬件驱动工程师。稍微偏上层一点的开发人员懂点低等的东西，对自己理解整个系统的架构和原理是相当有好处的。
未完，待续…
8086的诞生，标志着Intel 正式进入了x86时代，这是个多么具有纪念意义的日子：1978-6-8。同时，8086的诞生也是处理器内存寻址技术的第一次飞跃。
对于一根实际的、实实在在的、物理的、可看得见、摸得着的内存条而言，处理器把它当做8位一个字节的序列来管理和存取，每一个内存字节都有一个对应的地址，我们叫它物理地址，用地址可以表示的长度叫做寻址空间。而CPU是如何去访问内存单元里的数据的方式就叫做寻址。
8086得CPU在内存寻址方面第一次引入了一个非常重要的概念—-段。在8086之前都是4位机和8位机的天下，那是并没有段的概念。当程序要访问内存时都是要给出内存的实际物理地址，这样在程序源代码中就会出现很多硬编码的物理地址。这样的程序可想而知，难重定位，可控性弱，结构丑陋，那个年代写这样的程序在我们现在看来是多么让人恼火的一件事儿。
8080问世后四年也就是1978年，Intel开始设计16位CPU，正常来说8086的寻址空间应该是216=64KB才对，但Intel就偏偏不这干，8086的目标寻址空间直指1M，也就是说8086的地址总线位宽要达到20位。如何让16位的内部寄存器对20位的外部地址空间进行寻址，Intel的工程师们从当时的PDP-11小型机身上找到了灵感。PDP-11是美国迪吉多电脑(Digital Equipment Corp.)公司于1970到1980年代热销的16位迷你电脑，PDP-11的内存管理单元(MMU)可以将16位地址映射到24位地址空间里(至于人家是怎么弄，我就真不晓得了)。
为了支持分段机制，Intel在8086的CPU里新增了4个寄存器，分别是代码段CS，数据段DS，堆栈段SS和其他ES(以后深入介绍一下这几个兄弟伙，这涉及到进程的在内存的运行情况)。这样一来，一个物理地址就由两个部分组成，分别是“段地址”:“段内偏移量”。例如，ES=0x1000，DI=0xFFFF，那么这个数据ES:DI在内存里的绝对物理地址就是：
AD(Absolute Address)=(ES)*(0x10)+(DI)=0x1FFFF
就是讲段基地址左移4位然后加上段内偏移量就得到了物理内存里的绝对地址，经过这么一个变换，就可以得到一个20位的地址，8086就可以对20位的1M内存空间进行寻址了。如下：
很明显，这种方式可以寻址的最高地址为0xFFFF:0xFFFF，其地址空间为0x00000~0x10FFEF，因为8086的地址总线是20位，最大只能访问到1MB的物理地址空间，即物理地址空间是0x00000~0xFFFFF。当程序访问0x100000~0x10FFEF这一段地址时，因为其逻辑上是正常的，CPU并不会认为其访问越界而产生异常，但这段地址确实没有实际的物理地址与其对应，怎么办？此时CPU采取的策略是，对于这部分超出1M地址空间的部分，自动将其从物理0地址处开始映射。也就是说，系统计算实际物理地址时是按照对1M求模运算的方式进行的，在有些技术文献里你会看到这种技术被称之为wrap-around。还是通过一幅图来描述一下吧：
根据前面的讲解我们可以发现段基址有个特征，其低4位全为0，也就是说每个段的起始地址一定是16的整数倍，这是分段的一个基本原则。这样每个段的最小长度是16字节，而最大长度只能是64KB。这里我们可以计算一下，1MB的物理地址空间能划分成多少个段。
如果每个段的长度为16字节，这样1MB物理地址空间最多可以划分成64K个段；
如果每个段的长度为64KB，那么1MB的物理地址空间最多能划分成16个段。
8086这种分段基址虽然实现了寻址空间的提升，但是也带来一些问题：
1、同一个物理地址可以有多种表示方法。例如0x01C0:0x0000和0x0000:0x1C00所表示的物理地址都是0x01C00。
2、地址空间缺乏保护机制。对于每一个由段寄存器的内容确定的“基地址”，一个进程总是能够访问从此开始64KB的连续地址空间，而无法加以限制。另一方面，可以用来改变段寄存器内容的指令也不是什么“特权指令”，也就是说，通过改变段寄存器的内容，一个进程可以随心所欲地访问内存中的任何一个单元，而丝毫不受限制。不能对一个进程的内存访问加以限制，也就谈不上对其他进程以及系统本身的保护。与此相应，一个CPU如果缺乏对内存访问的限制，或者说保护，就谈不上什么内存管理，也就谈不上是现代意义上的中央处理器。
总结一下：8086和后来的80186，这种只能访问1MB地址空间的工作模式，我们将其称之为“实模式”。我的理解就是“实际地址模式”,因为通过段基址和段偏移算出来的地址，经过模1MB之后得出来的地址都是实际内存的物理地址。
由于8086的上述问题，1982年，Intel在80286的CPU里，首次引入的地址保护的概念。也就是说80286的CPU能够对内存及一些其他外围设备做硬件级的保护设置（实质上就是屏蔽一些地址的访问）。自从最初的x86微处理器规格以后，它对程序开发完全向下兼容，80286芯片被制作成启动时继承了以前版本芯片的特性，工作在实模式下，在这种模式下实际上是关闭了新的保护功能特性，因此能使以往的软件继续工作在新的芯片下。后续的x86处理器都是在计算机加电启动时都是工作在实模式下。
也就是说，在保护模式下，程序不能再随意的访问物理内存了，有些内存地址CPU做了明确的保护限制。
1985年80386的问世，使Intel完成了从16位到32位CPU的飞跃，这中间80286毫无疑问的就成了这次飞跃的跳板。80286的地址线已经达到24位，可寻址空间是16MB，但Intel当初设计80286时提出的目标是向下兼容，这也是Intel一贯的作风，正是这种作风为Intel后面设计80386时增添了几根儿烦恼丝。所以，在“实模式”下，80286所表现的行为和8086所表现的完全一样。
80386是32位CPU，也就是说它的ALU数据总线是32位，地址总线的位宽和CPU内部数据总线的位宽是一致的，都是32位，其寻址范围可达4GB。如果重新设计80386的架构，其结构应该相当简洁才对。但是80386却很遗憾的无法做到这一点，作为一个产品系列中的成员分子，80386必须继续维持“前辈”们的那些段寄存器，必须支持实模式，同时还要支持保护模式。可以看得出来，80386其实也不容易。
所以，Intel决定在80386的段寄存器(CS,DS,SS,ES)的基础上构筑保护模式，并且继续保留段寄存器为16位,同时又增添了两个段寄存器FS和GS。显然，为了实现保护模式，光是用段寄存器来确定一个基地址是不够的，至少还要有一个地址段的长度，并且还需要一些诸如访问权限之类的其他信息。所以，这里需要的是一个数据结构(这个数据结构就叫做“段描述符”，以后会看到)，而并非一个单纯的基地址。对此， Intel设计人员的基本思路是：
在保护模式下改变段寄存器的功能，使其从一个单纯的段基址变成指向一个“段描述符”的指针。因此，当一个访存指令发出一个内存地址时， CPU按照下面过程实现从指令中的32位逻辑地址到32位线性地址，再到物理地址的转换：
1、首先根据指令的性质来确定该使用哪一个段寄存器，例如操作指令中的地址在代码段CS里，而数据指令中的地址在数据段DS里。这一点与实地址模式相同。
2、根据段寄存器里的内容，找到相应的“段描述符”结构。
3、然后，从“段描述符”里得到的才是段基址。
4、将指令中的地址作为偏移量，然后和段描述符结构中规定的段长度进行比较，看齐是否越界。
5、根据指令的性质和段描述符中的访问权限来确定当前指令操作是否越权。
6、最后才将指令中的地址作为偏移量，与段基址相加得到线性地址，或者叫虚拟地址。
7、最后根据线性地址算出实际的物理地址。
所以，实模式就是80186及其之前的CPU只能寻址1MB物理地址空间，且寻到的就是实实在在的物理地址的模式，用户程序想干啥干啥，无法无天；而保护模式，就是说用户成的程序，某些地址你是不能访问的，或者说是有限制性的访问，且你访问到的地址不再是物理地址了，而是一个虚拟的地址。这个虚拟地址要经过一系列算法处理，最终映射到实际物理地址单元里去。
现在运行在X86CPU上的主流操作系统，如Linux，FreeBSD，Windows95以后的版本以及OS/2等都是工作在保护模式下。一般情况下，处理器只有在上电启动，引导阶段，初始化系统时才会进入实模式，当实模式阶段的任务完成后，它就切换到了保护模式。当切换到保护模式后就很难再回到实模式了，几乎不可能。(注意我的用词)
未完，待续…