哈喽，我是子牙，一个很卷的硬核男人

深入研究计算机底层、Windows内核、Linux内核、Hotspot源码……聚焦做那些大家想学没地方学的课程。为了保证课程质量及教学效果，一年磨一剑，三年先后做了三个课程：手写JVM、手写OS及带你用纯汇编写OS、手写64位多核OS及Linux内核…

上篇文章给大家分享了：Linux内核这样学才能学会之内存篇，收到了很多小伙伴的反馈，表示自己研究Linux内核很迷茫，很多代码看不懂，不知道是干啥的，需要这样的文章指明方向。今天带来的是它的兄弟篇：CPU篇

01研究CPU的正确姿势

关于CPU，其实大家研究得很少，无非是：线程开销大，开销源于用户态切内核态、研究并发的时候，会研究到CPU的缓存一致性协议MESI与MOESI、有些感兴趣的小伙伴会去研究CPU的执行引擎与流水线、还有一些无法证明的概念：分支预测、乱序执行、happens-before、as-if-serial……

研究这些东西跟看懂Linux内核源码有关系吗？有，但是这些东西都是任务切换与线程并发控制那块的，所以研究明白了也只能看懂多线程及并发控制相关的代码，Linux内核启动代码、初始化CPU核及激活CPU核的代码还是看不懂。

而且因为这些都是发生在CPU内部，不好做实验证明，所以小伙伴们在研究的时候，其实也不确定自己是否真的懂了。如何证明呢？手写一个OS，无其他办法

对于一个OS来说，CPU就这么点东西吗？显然不是。要知道，CPU是大脑版的存在。可以这样说，OS是面向CPU提供的机制实现出来的

那CPU还有哪些东西需要研究呢？如果是研究多线程，就是研究上面说的这些。但是孤立的研究上面这些，其实也看不懂，因为这些是CPU的后半段，前半段包括：

1. CPU的运行模式

2. CPU核的初始化

3. CPU核的激活

4. CPU核的亲和性设置

5. CPU的特权级

就是说，你把上面这些研究明白了，Linux内核的启动代码、初始化CPU核的代码、设置CPU亲和的代码、激活CPU核抢占任务的代码，你才能看懂。有了这些CPU前置知识，多线程及并发控制相关的代码，才能真正意义上的理解。以及CPU读写数据、执行代码背后做了哪些事情，你才能如数家珍一样将它讲出来

接下来，follow me，听我娓娓道来～

02CPU的运行模式

我们打开电脑，到看到可以交互的图形界面，其实这个过程中，OS代码经历了CPU的多种运行模式切换。如果是32位CPU，OS只经历了由实模式切入保护模式。如果是64位CPU，就复杂很多：先由实模式切入保护模式，再由保护模式切入IA32-e兼容模式，再进入正统的64位长模式。即经历了3次CPU模式切换

关于CPU的运行模式，如果你想详细了解，请看下图。系统管理模式为什么没讲？因为我们正常研究Linux内核机制，看不到这玩意，感兴趣的小伙伴可以自行chatgpt

不管是32位CPU，还是64位CPU，起始运行模式都是实模式。区别是，如果是32位CPU，OS代码中只需要做到让CPU由实模式进入保护模式就可以了。说白了就是只需要进行一次CPU模式的切到，代码类似于

如果是64位CPU，经历了三次CPU运行模式切换。由实模式切入保护模式的代码跟上面一样，由保护模式进入IA32-e模式，代码类似于：

由IA32-e兼容模式进入长模式，写法有两种，我都列出来，方便你到时看Linux内核源码能看懂

所以想玩明白64位CPU，就得先玩明白32位CPU，因为由于历史原因，64位CPU的很多机制不是凭空产生的，而是在32位CPU的基础上发展来的。不了解古今，何以只当下

如果是多核CPU，上面的代码其实只是让一个CPU核进入了长模式，其他CPU核还处于实模式，需要BSP（Bootstrap Processor）核给所有AP（Application Processor）核发送IPI（Inter-Processor Interrupt）信号，让这些核去执行初始化操作，进入长模式，代码类似于

所以你看，如果你不了解这个知识点，那Linux内核的启动代码你就看不懂。启动代码看不懂，就不知道Linux内核在启动的时候做了哪些初始化操作，那后面各大模块的代码要么看不懂，要么读起来非常吃力，前后没办法关联起来理解

03用户态切内核态

上面说的是CPU的运行模式，下面再谈谈CPU的特权级。CPU运行模式相信你看了上一啪应该已经基本了解了吧（瓦特？还不了解！那我就打个比方，实模式相当于你刚出生，保护模式相当于你长大了，IA32-e模式相当于你有两把刷子了，长模式相当于你成熟了），那如何理解CPU的特权级呢？

相信你肯定听过用户态、内核态，这个就是由CPU的特权级引申出来的。如图，CPU被设计成四个特权级：r0、r1、r2、r3，数字越大，权限越小。我们都知道OS内核需要有最高权限，所以运行在CPU的0特权级。r1、r2没用。我们的用户程序运行在CPU的3特权级

所以你可以这样理解，CPU的0特权级，就是我们常说的内核态。CPU的3特权级，就是我们常说的用户态。我们常说的用户态切内核态，其实说的就是编码实现CPU由3特权级切入0特权级。当在内核态将任务执行完，这时候一般说回到用户态，而不会说内核态切用户态

那关于态的切换，CPU提供了哪些方式呢？三种：

1. CPU的门机制：中断门、调用门、任务门、陷阱门

2. x86架构下的sysenter与sysexit

3. x64架构下的syscall与sysret

这个就不展开讲了，感兴趣的自行研究。这些东西研究明白，用户态切内核态相关的代码、系统调用相关的代码、中断处理相关的代码就可以看懂了

上面说的是主动触发由用户态切内核态，其实还有被动的，比如：

1. 软中断如除零异常、调试中断、内存错误…

2. 硬中断如键盘鼠标触发、读写硬盘上的数据、网卡有数据包到来…

那自实现OS的时候，代码层面是如何体现CPU特权级的呢？是由CPU的段机制控制的

与DPL关联的，还有两个名词：CPL、RPL。DPL设置的是访问内核段的条件，得有东西和它比较，就是CPL，那CPL从哪来？取值自RPL。这块你可能听不懂了。所以其实研究Linux内核，最难的是研究CPU，因为讲CPU的书几乎没有，大家都是啃Intel手册啃出来的

04CPU如何读写数据

接下来我通过一个案例，把前面讲的所有知识点串起来，让大家能够更清晰的了解CPU是如何利用这些机制运行的。考虑到大家的基础，以32位CPU为前提吧。

当我们按下开机键，这时候CPU处于实模式下运行。我们自实现OS的时候，这时候要做的事情就是准备好让CPU进入保护模式需要的所有数据。我们自实现OS如此，Linux内核、Windows内核，乃至所有运行在Intel CPU上的OS，都需要这样做。这就是学底层一通百通的本质所在

进入保护模式以后，我们需要设置页表，开启虚拟内存分页模式。这时候的CPU的环境是：开启虚拟内存分页模式下的保护模式。这时候在读写数据的时候，CPU中的段部件、页部件需要参与进来

再详细点，当我们代码中有读写内存的代码时，无论你是什么语言，最终一层一层向下编译，到CPU层面，就是这样。其实CPU执行的是机器码，这里为了让大家能看懂，我用的是汇编

代码的意思就是将虚拟地址为0x1100处的内存中的数据读入寄存器eax。接下来我展开讲讲这个过程

当我们让CPU读数据的时候，CPU会这样一步步实现：

1. 读数据操作的是数据段，所以CPU会从cs段寄存器中取到段选择子，从段选择子中解析出RPL、数据段描述符在GDT表中的索引。这个时候的RPL就是CPL，即CPU的当前请求特权级

2. 拿着索引去GDT中拿到数据段描述符，进行一系列的验证，这个验证我就不展开了，我们这里假设验证通过，就可以计算出线性地址=base+0x1100。到这里，段部件的工作就结束了

3. CPU拿到线性地址，需要读cr3寄存器，拿到当前进程的页表地址，一层一层解析，最后计算出真实的物理地址。这中间其实还有很多小部件参与工作，比如高速缓存器、TLB

4. 当CPU拿到物理地址，就可以去读内存了，然后写入CPU内部的eax寄存器

这个过程中有很多新名词，给大家准备好了

看到这里，你是什么样的心情呢？这个人怎么这么牛哇（玩笑玩笑）！我怎么这么菜呀（太真实了有木有）！我也想有这样的技术实力！送给你卖油翁的：无他，唯手熟尔。需要学习哪些东西我已经告诉你了，学习的节奏通过这个案例你应该也能看出来，自己找资料学习吧。

题外话

你好，我是子牙。十余年技术生涯，一路披荆斩棘从小白到技术总监到大厂中间件到创业。技术栈如汇编、C语言、C++、Windows内核、Linux内核及特别喜欢研究虚拟机底层实现，对JVM有深入研究。分享的文章偏硬核，很硬的那种。不考虑交个朋友吗？关注硬核子牙：