2. 计算机体系结构基础回顾：CPU、内存、I/O设备的基本概念；x86与ARM架构的启动流程；实模式与保护模式

好，咱们正式开始动手之前，得先把地基打牢。很多同学一上来就急着写代码，结果连CPU怎么取指令、内存怎么编址都没搞明白，后面调试起来那叫一个痛苦。我个人习惯是，先花点时间把体系结构的关键脉络理清楚，后面写内核时心里才有底。

2.1 三大核心部件：CPU、内存、I/O

计算机系统说白了就三样东西：CPU、内存、I/O设备。你想想看，不管多复杂的系统，最终都逃不出这个框架。

CPU（中央处理器）

CPU是大脑，负责执行指令。它内部有几个关键部件：

• 寄存器：CPU内部的高速存储单元，访问速度比内存快几个数量级。x86里有EAX、EBX、ECX等通用寄存器，还有EIP（指令指针）、EFLAGS（标志寄存器）等特殊寄存器。
• 算术逻辑单元（ALU）：负责加减乘除、与或非等运算。
• 控制单元：负责取指令、译码、调度执行。

内存

内存就是存放指令和数据的地方。CPU通过地址总线访问内存，每个地址对应一个字节。这里有个关键概念——内存映射。在x86的实模式下，内存地址是20位的，最大寻址1MB。到了保护模式，地址变成32位，能访问4GB空间。

I/O设备

键盘、鼠标、硬盘、显示器……这些都是I/O设备。CPU怎么跟它们通信？两种方式：

• 端口映射I/O：x86用IN/OUT指令，通过专门的I/O端口地址访问设备。比如键盘控制器通常挂在0x60端口。
• 内存映射I/O：把设备寄存器映射到内存地址空间，直接用内存读写指令操作。ARM架构几乎全用这种方式。

我在项目中遇到过一个问题：某块网卡用内存映射I/O，但它的寄存器地址恰好和内存条的区域冲突了。折腾了两天才发现是BIOS里没正确配置MMIO区域。嗯，这种坑踩过一次就记住了。

2.2 x86与ARM的启动流程

启动流程，说白了就是CPU上电后，从哪开始执行第一行代码。x86和ARM的思路完全不同，咱们分别看看。

x86启动流程

1. 上电复位：CPU的CS寄存器被初始化为0xF000，IP寄存器为0xFFF0。所以第一条指令的物理地址是0xFFFF0（即0xF000 << 4 + 0xFFF0）。
2. 跳转到BIOS：这个地址通常是一条跳转指令，直接跳到BIOS的入口。BIOS开始执行POST（上电自检）。
3. BIOS加载引导扇区：BIOS扫描启动设备（硬盘、U盘等），读取第一个扇区（512字节）到内存0x7C00处，然后跳过去执行。
4. 引导程序接力：这个512字节的引导代码（比如GRUB的stage1）再加载更复杂的引导程序，最终加载内核。

ARM启动流程

ARM的启动方式灵活得多，但主流SoC（比如树莓派的BCM2837）通常是这样：

1. 上电复位：CPU从固定的复位向量地址取指令。这个地址通常映射到ROM或片上SRAM。
2. 一级引导（BootROM）：芯片内部的BootROM代码开始执行，它初始化时钟、内存控制器等基础硬件。
3. 二级引导：BootROM从SD卡、eMMC或SPI Flash中读取二级引导程序（比如树莓派的bootcode.bin），加载到片上SRAM。
4. 加载内核：二级引导程序再加载真正的操作系统内核（比如Linux的kernel.img）到DRAM，然后跳转执行。

你可能会问：为什么ARM搞这么复杂？因为ARM芯片的启动介质太多了，SD卡、NAND Flash、USB……BootROM得先判断从哪启动，再一步步把代码“搬”到内存里。

2.3 实模式与保护模式

这两个模式是x86体系结构的精髓。我刚开始学的时候也觉得绕，但搞明白后，你会发现它其实很优雅。

实模式（Real Mode）

这是x86 CPU的“出厂设置”。特点如下：

• 地址空间：20位地址线，最大1MB。
• 寻址方式：段地址 << 4 + 偏移地址。比如段地址0x1000，偏移0x1234，物理地址就是0x1000 << 4 + 0x1234 = 0x11234。
• 无保护：任何程序都能访问任何内存地址，包括硬件中断向量表。写错了直接死机。
• 中断向量表：固定在内存0x00000处，每个中断向量占4字节（段地址+偏移地址）。

保护模式（Protected Mode）

从80386开始，x86引入了保护模式。它带来了三个核心能力：

• 32位地址空间：直接寻址4GB，不再需要段寄存器左移4位。
• 内存保护：通过段描述符和页表，实现权限控制（内核态/用户态）、地址隔离。
• 分页机制：虚拟地址到物理地址的映射，每个进程可以拥有独立的地址空间。

从实模式切换到保护模式，需要做这几步：

1. 关闭中断（CLI指令）。
2. 加载全局描述符表（GDT），定义代码段、数据段等描述符。
3. 设置CR0寄存器的PE位（保护模式使能位）为1。
4. 执行远跳转（JMP指令），刷新CPU流水线。

下面是一个简化的切换代码示例（NASM语法）：

; 切换到保护模式
cli                     ; 关闭中断
lgdt [gdt_ptr]          ; 加载GDT
mov eax, cr0
or eax, 0x1             ; 设置PE位
mov cr0, eax
jmp 0x08:protected_mode ; 远跳转刷新流水线

[bits 32]
protected_mode:
    ; 现在已经在保护模式下了
    mov ax, 0x10        ; 数据段选择子
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    ; ... 继续初始化

2.4 知识体系总览

为了让你更直观地理解本章的知识结构，我画了一张图。它把CPU、内存、I/O的关系，以及x86/ARM的启动路径、实模式与保护模式的切换，都串在了一起。

这张图把本章的核心内容都囊括了。你可以把它当作一个“导航图”，后面写内核代码时，随时回来对照，看看当前代码运行在哪个阶段、操作了哪些硬件。

---

公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321