Linux内核中，CPU是如何读写数据的

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，三年先后做了这些课程：手写JVM、手写OS、带你用纯汇编写OS、手写64位多核OS、实战Linux内核…

这篇文章聊什么呢？如题。比如你写了这样的代码

代码的运行效果就是在屏幕上输出这个进程的ID及字符串：ziya。如果我问你：CPU是如何读到内存中的字符串ziya并输出的，阁下如何作答？说到这，我就想起了大司马跟鬼屎东那对活宝：你说赵信在哪个野区？

我会从这三个层面为大家分析这个问题

代码演示

一般讲底层，大家看到的，几乎都是讲原理，这从来不是我的风格！说白了，不能手撕代码，都是实力不足，网上搜点相关的文章看看，然后用自己的语言表达出来，只知其一不知其二，误导人

我写了一个Linux内核驱动，将CPU读写数据的过程详细打印了出来，贴出来给大家看看

有的小伙伴说：没看到字符串ziya啊！内存中存储的是每个字符的anscii码

我知道你也想体验，关注公众号【硬核子牙】回复【CPU读写数据】可免费领取我写的驱动。命令行输入如下指令安装驱动

如果你不按照这个传参，驱动内部会给你报错，不让你用，保护你的电脑（驱动程序出问题，你的操作系统就挂了，只能重启。当然，如果我动点手脚，你可能只能重装系统了，这就是所谓的黑客行为）

我的开发环境是Ubuntu16，内核我升级成了5.6，如果你跟我的环境不一样，可能存在兼容性问题。当前只是为了写文章演示给大家看，没做兼容性、没做过多测试，如果你使用时有问题，属于正常现象，后面我会抽空完善这个程序，届时会将代码开放给大家去研究

驱动中默认是无法向屏幕终端输出内容的，只能写入内核日志，所以你可以这样查看Linux内核日志

接下来我将这个过程中的每一步展开讲讲

CPU读写数据完整框架

我先说完整框架，再将每个相关知识点展开讲讲

先说下CPU读写数据的完整框架

从图中可以看出来，CPU读取数据时，会有两个部件参与工作：段部件、页部件，段部件没有专业名词，页部件就是鼎鼎大名的MMU。

这里面会涉及到三个跟内存地址相关的名词：

1、逻辑地址：汇编代码中看到的地址

2、线性地址：CPU段部件产出的地址，又名虚拟地址

3、物理地址：实际内存（RAM）的地址

其中段部件的工作机制是：输入逻辑地址，输出线性地址，又叫虚拟地址。页部件的工作机制是：输入线性地址，输出物理地址，CPU拿到这个物理地址，就可以读到内存上的数据，与MMU一起参与工作的，还有一个缓存模块：TLB

如果CPU没有开启分页，那页部件是不参与工作的，这时候段部件产出的就是物理地址。那如何开启CPU的虚拟内存呢？如图

关于CPU的段部件，在不同CPU架构上也是有差异的，比如x86 CPU上，是要做严格的检查的，但是在x64 CPU上，强制使用平坦模型，不再检查段界限、段属性。是不是没get到，接着往后看

CPU读写数据细节

接下来说CPU读写数据的细节

当CPU要读内存0x1000处的数据，它会：
1、读ds段寄存器的值，按照[段选择子]格式拆出：Index、TI、RPL

RPL是什么呢？是CPU的请求特权级，就是CPU读写数据是以什么权限发起的这个请求，一般用户态的权限是3，内核态的权限是0。当CPU发起请求时，这个RPL就会变成CPU的CPL，即当前请求特权级

CPU的段部件的工作，需要依赖操作系统提供的两张表：全局描述符表gdt、局部描述符表ldt。区别是什么呢？gdt中定义的内存段是约束所有进程的，ldt中定义的内存段，是约束某个进程的。一般来说，os不用ldt，只用gdt，所以几乎TI的值都是0

这里面为什么是0呢？因为x64 CPU不做检查了，Linux就没填充值。我们看x86下，比如它的值是0x33

0x33，按照段选择子进行拆，index=6，TI=0，RPL=3。接下来就是查gdt表，找到index=6的具体数据

gdt表长啥样子呢？它的key就是类似数组的索引，它的值是段描述符

段描述符结构长这样子

2、取到gdt表中index=6位置的值，就是数据段描述符，然后做各种检查，产出线性地址：

1. 检查p位，如果为1，继续，为0，结束
2. 检查DPL，如果DPL > CPL，继续，反之，结束，CPU报错#GP异常
3. 检查s，为1继续，为0，结束
4. 检查type，小于8，继续，反之，结束
5. 拿到base，与逻辑地址相加，得到线性地址，将线性地址与limit比较，越界CPU报错#PF异常，反之继续
6. 输出线性地址

如果是x64 CPU，直接产出线性地址，所以Linux内核，在进入用户态的时候，是不配置ds、ss的

数据段描述符每个位的详细介绍如图

MMU工作原理

本篇文章篇幅已经足够长，这部分内容准备再写一篇文章细说，顺便给大家详细讲讲内存PAE技术

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