還記得我嗎，我是阿Q，CPU一號車間的那個阿Q。

今天忙里偷閑，來到廠里地址翻譯部門轉轉，負責這項工作的小黑正忙得滿頭大汗。

看到我的到來，小黑指著旁邊的座椅示意讓我坐下。

坐了好一會兒，小黑才從工位上忙完轉過身來，“實在不好意思阿Q，今天活太多，沒來得及招待你”

“剛忙什么呢，看你滿頭大汗的”，我問道。

“嗨，別提了，老是發現內存頁面錯誤，不停地要通知操作系統那邊去處理，真是懷念以前啊，沒有這么多破事兒要管”，小黑嘆了口氣。

我一聽來了興趣，“小黑你給我說說你們的工作唄，地址翻譯是怎么一回事兒，為什么懷念以前呢？”

小黑調整了下坐姿，咕嚕咕嚕喝了幾口水說道，“這話說來可就話長了”

接下來小黑開始給我講起了歷史故事······

8086

原來咱們的祖先叫8086，小黑還給我看了他的照片

那是一個純真質樸的年代，雖然工作性能不高，不過那個年代的程序都很簡單，我們的祖先一問世就成為了明星，稱得上那個時代的頂流了。

看到照片中的那些金屬針腳了嗎？那是我們CPU和外界打交道的觸角，每一根都有不同的作用。

通過這些觸角，CPU就可以跟內存打交道，獲取指令和數據，辛勤的干活啦。

那個年代，條件比較差，能湊合的就湊合，能共用的就共用。這不，你看祖先CPU的地址總線針腳和數據總線針腳就共用了。

祖先是一個16位的CPU，數據(Data)總線就有16位，一次性可以傳輸16個比特位。和地址(Address)總線湊合著一起共用，于是就取名AD0-AD15。

不過祖先的地址總線卻不止16個，還多出了A16-A19整整4個呢！這樣有20個地址線，可以尋址1MB的內存了！

但是祖先的寄存器都是16位的啊，只能存放16位的地址。不過他們很聰明，發明了一個叫分段式存儲管理的方法，把內存劃分為最大64KB的小塊，為什么是64KB呢，因為16位地址最多只能尋址這么大了。然后又加了幾個叫做段寄存器的東西，指向這些塊的開頭，這樣，通過段地址+段內偏移地址的方式，就能訪問更多的內存了。

32位時代

后來啊，祖先的那點計算能力越來越捉襟見肘，實在是跟不上時代了。家族中的年輕一代開始挑大梁，80286和80386CPU相繼問世，尤其是80386，成為了劃時代的存在。

到了80386時代，我們與外界通信的引腳就更多了，并且變成了32位的CPU，那個時候，生活條件就變好了，地址線和數據線再也不用共享引腳了。

后來，人類變得越來越貪心，想要一邊聽音樂，一邊還要上網，同時還要編輯文檔，這就同時需要運行多個程序。

這個時候，有人發現了商機，開發了一個叫操作系統的東西，原來那些程序不再直接和我們CPU打交道了，而是和操作系統打交道，操作系統再和我們打交道，中間商賺差價說的就是他們！

操作系統這玩意兒很聰明啊，通過時間片劃分讓我們CPU來輪流執行多個程序，一會兒讓我們執行音樂播放，一會兒讓我們執行瀏覽器程序，一會兒又讓我們執行文檔編輯程序。我們是無所謂啊，給什么代碼不是代碼啊，我們不挑，埋頭苦干就是了。人類的反應速度跟我們就差得遠了，他們還以為這些程序真的是同時執行的呢。

虛擬內存

不過隨之而來出現了一個大問題，這么多程序都要運行，大家擠在一個內存里，經常發生摩擦，沖突不斷。

先祖們為了此事殫精竭慮，終于想出了一個好辦法，一直沿用至今。

他們提出了一個虛擬地址的東西，所有程序使用的地址都是一個虛擬的地址，在真正和內存打交道的時候，咱們CPU內部工作人員再給翻譯成真實的內存地址，關于這事兒，內存那家伙一直被我們蒙在鼓里。

這樣一來，每個程序都可以用的是0x00000000到0xffffffff總共4GB這么大范圍的地址空間，當然不會真的給他們那么多空間，內存那家伙總共才4GB呢，而是要按需申請分配。分配的單元是按照頁來進行的，32位的CPU一個頁是4KB。這些分配管理的累活就讓操作系統來干了，中間商不能光拿好處不干正事，至于我們CPU，做好地址翻譯的工作就好了。

為此，在我們寄存器內部專門添置了一個新的寄存器CR3，用來指向一個地址翻譯查詢字典，字典劃分了兩級目錄。我們把一個32位的地址劃分了3部分，前面兩部分分別指向兩級目錄中的條目，用來定位這個地址在物理內存的哪個頁面，最后一部分就是指向物理內存頁面的偏移，這樣就完成了地址的翻譯工作。

每個進程有不同的地址空間，切換進程的時候，把CR3的內容換一下就使用新進程的翻譯字典，特別的方便。

我們把這種內存管理方式叫做分頁式內存管理。

真佩服先祖們的智慧，這樣巧妙的把各個程序隔離開來，后來我們把這種工作模式叫做保護模式，把之前那種直接使用真實內存地址的工作模式叫做實地址模式。

分頁交換

人類變得越來越貪婪，程序變得越來越多，對內存的需求也越來越大。隨著這些程序都不斷申請內存頁面，內存空間很快就要耗盡了。

我們看在眼里，急在心里，后來找操作系統協商，看看這問題該怎么辦。

操作系統那家伙也不賴，想出了一個好辦法。內存的大小有限，但是硬盤給力啊，硬盤空間大的多，去硬盤上劃一塊區域來，把內存里長時間沒有用到的頁面給換到這塊區域里去，然后做個標記。如果后面誰要訪問那個頁面，咱們CPU就檢查如果有這個標記，就發送一個頁錯誤的中斷信號告訴操作系統去把這個頁面換回來。

通過我們之間的配合，解決了內存緊張的危機。后來我們把這個技術叫做內存分頁交換。

現在

時間過得很快，到了我們這一輩，內存變得更大了，16GB都是小case，32GB也很常見。

除了內存，我們CPU本身也更先進了，別的不說，你光看看咱們現在的引腳數那比先祖們那幾輩就不可同日而語。

我們不僅從32位變成了64位，還從單核變成了多核，像我所在的CPU就有8個車間，8核并行執行，比起先祖那個年代簡直有云泥之別。

彩蛋

和小黑閑談間，我們車間的老K突然出現在了門口。
“阿Q原來你在這里，讓我好找，趕快回去吧，隔壁二號車間的虎子說我們改了他們的數據，上門來鬧事了······”

原文標題：一個故事看懂 CPU 內存管理技術

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責任編輯：haq