要编写底层代码，程序员必须理解计算机的架构。这就好像要用某个软件框架写程序，那就必须知道这个框架解决的是哪一类问题，以及如何通过框架提供的接口使用它。但是在定义什么是计算机架构之前，我们必须理解到底什么是计算机，因为许多人仍然以为计算机就是我们放在桌子上的那种，要么顶多是台服务器。然而计算机可以有各种各样的形状和尺寸，有些让人们很难想象它们是计算机，而代码都能运行在这样的设备上。
计算机是一种硬件设备，组成至少包括处理器（CPU）、存储设备以及输入输出接口。计算机可以分为两种类型：
单用途计算机是硬件层面专为某类任务构建的计算机。比如，专用的编码解码器、计时器、图片/视频/音频处理器。
通用计算机是可以通过编程（而无须改动硬件）来模拟单用途计算机各种功能的计算机。
服务器是拥有海量资源的高性能通用计算机，为广大用户提供大规模服务。这些用户把它们的个人计算机连接到服务器，享受服务。
图3.1.1 刀片服务器。每个刀片服务器都是有着模组化设计，为了节省物理空间和能耗而优化过的计算机。刀片服务器的外保护叫做机柜。（来源：Wikimedia，作者：Victorgrigas）
台式计算机是一种通用计算机，搭配了专为普通用户设计的输入输出系统，以及满足日常使用的适度资源。输入系统通常包括鼠标键盘，而输出系统通常包括高分辨率显示器。计算机安装在机箱内，大小足够放下各种计算机组件，比如处理器、主板、电源、硬盘等等。
图3.1.2 典型的台式计算机
可移动计算机与台式计算机类似，拥有的资源较少但是方便携带。
图3.1.3 可移动计算机
（a）笔记本电脑
（b）平板电脑
（c）移动电话
游戏主机与台式计算机类似，但是为玩游戏进行了优化。没有了键盘鼠标，取而代之的游戏主机输入系统是游戏手柄，通过少量按键控制屏幕上目标；输出系统则是电视。它的机箱也与台式计算机类似但是相对更小巧。游戏主机使用的是定制化的处理器和显示芯片，但是依旧与台式计算机搭载的类似。比如初代的Xbox就使用了一颗特制的英特尔奔腾III处理器。
图3.1.4 现世代游戏主机
（a）PS4
（b）Xbox One
（c）Wii U
手持游戏掌机与游戏主机类似，但是把输入输出系统与计算机合并在了一起。
（a）任天堂 DS
（b）PS Vita
嵌入式计算机是资源有限的单板或单芯片计算机，专为集成到更大型的硬件设备而设计。
图3.1.6 嵌在PC主板上的英特尔82815图形内存控制器。（来源：Wikimedia，作者：Qurren）
图3.1.7 PIC微控制器（来源：微芯）
微控制器是专为控制其他硬件设备设计的嵌入式计算机，直接安装在芯片上。微控制器是通用计算机，但是由于资源有限，只能执行一项或是几项专门任务。这种计算机虽然用途单一，但是因为它们可以通过编程、根据需求执行不同的任务，无需改动底层的硬件，于是仍然算是通用计算机。
另一种类型的嵌入式计算机是单片系统。单片系统是在单个芯片上的完整计算机。尽管微控制器也安装在芯片上，然而它的目的是去控制某些硬件。微控制器通常更简单，硬件资源更有限，运行时只会专注于单个用途，而单片系统是可以用于多个用途的通用计算机。单片系统运行起来与普通台式计算机一样，可以加载操作系统、运行各种应用程序。单片系统常见于智能手机中，比如iPad 2和iPhone 4S中的苹果A5芯片，或者是许多安卓手机中搭载的高通骁龙芯片。
图3.1.8 苹果A5芯片
无论是微控制器还是单片系统，必定存在一个环境把它们连接到其他设备。这样的环境是电路板，叫做印制电路板——PCB。印制电路板是一张包含配线和焊盘的物理板，可以让电流在电子元件之间导通。没有PCB，各种元器件就没有办法组合成更大的设备。只要这些元器件被包含在更大型的设备中，作为运行在更高一层次的设备的一部分满足更高级的需求，它们就算是嵌入式设备。为这些设备编写程序因此也叫做嵌入式编程。嵌入式计算机常用在自动控制设备当中，包括电动工具、玩具、可植入式医疗设备、办公设备、引擎控制系统、家用电器、遥控器等等。
图3.1.9 树莓派B+ 1.2版，一个既有单片系统也有微控制器的单板计算机。
（a）功能图。单片系统是高通BCM2835。微控制器是以太网控制器LAN9514。（来源：Wikimedia，作者：Efa2）
（b）实物图。
微控制器与单片系统的边界很模糊。如果硬件不断演进、变得越来越强大，那么微控制器就可以获得足够的资源来运行一个微型操作系统，用于多种特定用途。相比之下，单片系统处理微控制器的任务是游刃有余的。然而，把单片系统当作微控制器使用可不是明智之举，不但成本显著上升，而且因为微控制器的软件不需要多少计算资源，造成了浪费。
现场可编程逻辑门阵列（FPGA）是由可配置的门阵列组成、出厂后电路结构可以编程的硬件这就是为什么被叫做现场可编程逻辑门阵列的原因：在应用现场可以直接修改。回忆一下在上一章，每个74HC00芯片都可以配置为一个门，组合多个74HC00芯片可以构建更复杂的设备。与之类似的，每个FPGA设备包含了上千个叫做逻辑区块的芯片，它们每个都是比74HC00更加复杂的芯片，通过配置可以实现布尔逻辑函数。这些逻辑区块可以串起来构建高阶硬件功能。这种高阶功能通常是一种需要高速处理的专用算法。
图3.1.10 FPGA架构（来源：国家仪器）
数字元器件可以通过组合逻辑门来设计而无需关心实际的电路组件，是因为这些物理电路只是几个CMOS电路而已。数字硬件，包括计算机内的各种组件，是通过程序员写代码设计出来的，使用的是一种可以描述门是如何连接在一起的语言。这种语言叫做硬件描述语言。之后，对硬件的描述被编译成相互连接起来的电子原件的描述，叫做网表，它更详细地描述了门是如何连接起来的。
FPGA与其他嵌入式计算机的区别在于FPGA里的程序实现在数字逻辑一层，而类似微控制器或者单片系统设备这样的嵌入式计算机程序实现在汇编代码一层。为FPGA设备编写的算法是用逻辑门描述的，然后FPGA设备根据这个描述进行自我配置，执行算法。而为微控制器编写的算法是用汇编指令写的，处理器可以直接理解，执行相应的操作。
FPGA应用的场景，都是些在普通计算机上执行不太合适且花销巨大的特定操作，例如实时医疗图片处理、巡航控制系统、电路原型设计、视频编解码等等。这些应用都有一般处理器无法达到的高速处理需求，因为处理器在实现一个特定操作的时候会浪费大量时间执行许多非特定（non-specialized）指令——加总起来可达到数千条指令，甚至更多，也因此物理层就需要有更多的电路执行这些操作。FPGA设备就没有这样的额外开销；相比之下，它直接在硬件实现了单个特定操作。
*专用集成电路（ASIC）*是专为特定需求设计并非通用的芯片。它不像FPGA，没有可以重新配置来适应各种操作的通用逻辑块阵列；相反地，ASIC中的每个逻辑块都专为电路自身设计、优化。FPGA可以理解为ASIC的原型设计阶段，ASIC可以理解为电路生产的最终阶段。相比于FPGA，ASIC更加定制化，因此可以获得更好的性能。然而，ASIC的生产非常昂贵，一旦电路被生产出来、出现了设计错误，整批产品只能作废，不像FPGA设备因为通用门阵列的关系，只需要重新编程就可以再次使用了。
上一节我们了解了计算机的不同类别。无论外形还是尺寸，每台计算机都是针对从顶层到底层的体系结构设计的。
计算机架构 = 指令集架构 + 计算机组成 + 硬件
位于最顶层的是指令集架构。
位于中间层的是计算机组成。
位于最底层的是硬件。
指令集是微处理器可以理解并执行的基本命令、指令集。
指令集架构，或ISA，是实现了指令集的环境的设计。本质上，它是一个运行时环境，就像是高级编程语言的解释器一样。这个设计包括了CPU所有的指令、寄存器、中断、内存模型（被应用程序使用的内存是如何分布的）、地址模式、输入/输出等等。CPU的功能越多（比如，指令更多），实现所需的电路就更多。
计算机组成是计算机设计的功能视图。在这种视图中，计算机的硬件组件用有输入输出的方框表示，彼此相连，形成了计算机的设计。两台计算机也许有同样的指令集架构，但是有着不同的组成。举个例子，AMD与英特尔处理器都实现了x86指令集架构，但是构成指令集环境的处理器的硬件组件是各不相同的。
计算机组成非常依赖厂商的设计，但是它们都源自冯·诺伊曼约翰·冯·诺伊曼是一位数学家和物理学家，他发明了计算机架构架构。
图3.2.1 冯·诺伊曼架构
CPU从持续获取指令并执行。
内存储存应用程序代码以及数据。
总线是在上述组件之间发送原始位（raw bits）数据的电线。
I/O设备是为计算机获取输入的设备，比如键盘、鼠标、传感器。。以及从计算机获取输出的设备，比如显示器把从CPU发来的信息显示出来，根据CPU计算出的模式打开关闭LED。。。
冯·诺伊曼架构的计算机按照如下方式运行：所有指令储存在主存储中，CPU反复地获取这些指令，传入自己的内部存储用于顺序执行。数据通过数据总线在CPU、内存以及输入输出设备之间传输，而在哪个设备中存储它们则是CPU通过地址总线进行传输。这个架构完备地实现了获取——解码——执行的循环。
早期的计算机精确地实现了冯·诺伊曼架构，CPU、内存与输出输出设备通过同一条总线通信。今天，计算机有了多条总线，每一种专为一种通信服务。然而，它们本质上仍然是冯·诺伊曼架构。为了给冯·诺伊曼架构的计算机编写操作系统，程序员需要能够了解并编写代码来控制核心组件：CPU、内存、输入输出设备以及总线。
CPU，或是中央处理器，是任何计算机系统的心脏与大脑。理解CPU对于从头开始编写操作系统必不可少：
- 要使用这些设备，程序员需要控制CPU来使用其他设备的可编程接口。CPU是唯一的方式，因为CPU是程序员唯一可以直接使用的设备，也是唯一可以理解程序员代码的设备。
- 在CPU里，许多操作系统的概念已经直接用硬件实现了，比如任务切换，分页。内核程序员需要知道如何使用这些硬件功能，从而避免在软件中重复实现这些概念，导致计算机资源的浪费。
- CPU内建的操作系统功能既提升了操作系统性能又提升了开发者效率，因为这些功能都是实际的硬件，已经是最底层了，开发者可以自由地实现这些功能。
- 为了更有效率地使用CPU，程序员需要理解CPU厂商提供的文档。比如说，英特尔® 64 位和IA-32 架构开发人员手册
- 在足够了解一种CPU架构之后，理解其他CPU架构也会更容易一些。
CPU是指令集架构的一种实现，等效于一种汇编语言的实现（CPU架构不同，语言也会不同）。汇编语言是提供给软件工程师控制CPU、进而控制整台计算机的众多接口之一。但是是如何做到只访问CPU就控制了每一台计算机的？简单地说，CPU可以通过以下两个接口与其他设备通信，进而向它们发号施令：
寄存器是用于高速数据访问，并与其他硬件设备通信的组件。通过写入设备的寄存器，或是读取设备的寄存器获取硬件设备信息，寄存器允许软件直接控制硬件。
然而不是所有的寄存器都是用来与其他设备通信的。在CPU里，大多数寄存器被用作临时数据的高速缓存。始终有另外一组寄存器是用来让其他可以与CPU通信的设备与CPU交互的。
端口是硬件设备中专门用来与其他设备通信的寄存器。当数据被写入到端口，硬件设备会根据写入的值执行某些操作。端口与寄存器的区别在于端口不储存数据，而是把它们代理给其他某些电路。
这两个接口极其重要，因为它们是用软件控制硬件的唯二接口。编写设备驱动本质上是学习各个寄存器的功能，以及如何恰当地使用它们来控制设备。
内存是用来储存信息的存储设备。它由许多单元组成，每个单元都是有独立地址的字节，于是CPU可以使用这个地址访问内存中的一个确切位置。内存是软件指令（以机器语言的形式）存储的地方，也是CPU获取即将要执行的指令的地方；同时也是储存某些软件所需数据的地方。内存在冯·诺伊曼架构里不区分哪些字节是数据，哪些是软件指令。这是由软件来决定的，如果因为某些未知的原因，数据被当作指令获取并执行了，CPU会把这些数据当作合法的指令执行，然而可能因此产生不良效果。对于CPU来说，没有代码与数据之分；二者只是不同类型的数据而已：一种告诉CPU以何种方式做某件事情，而另一种则是执行这种操作所必须的材料。
随机存取存储器（RAM）是由内存控制器控制的。今天，绝大部分处理器都内建了这个设备，于是CPU有了一条专用内存总线连接处理器与RAM。然而在旧的CPU2009年之前生产的上，这个设备位于*北桥芯片（MCH）*内。在这个场景里，CPU不直接与RAM通信，而是与北桥芯片通信，而后这颗芯片再读取写入数据到内存。相比之下，第一种方案因为CPU与内存之间的通信没有中间人角色，提供了更好的性能。
图3.2.2 CPU-内存之间的通信
（a）旧的CPU
（b）新的CPU
在物理层面，RAM是由单元晶格实现的，每个单元包含一个晶体管和一个叫做电容器的设备，电容器可以在一小段时间内储存电荷。晶体管控制着对电容器的访问；当开关打开，它允许从电容器读取或写入少量电荷。由于电容器上的电荷会缓慢耗散，于是需要包含一个刷新电路周期性地从单元内读出值，然后由外部电源的放大之后再写回去。
总线是在计算机组件之间或计算机之间传输数据的子系统。物理层面上，总线就是把所有组件连接在一起的电路，而每条电路都传输单个大块数据。电路的总数被叫做总线带宽，它取决于CPU可以支持的电路条数。如果CPU只能一次接受16位，那么从组件连接到CPU的总线就有16条电路，意味着CPU一次只能获取16位的数据。
硬件是计算机的一种特定实现。一产品线的处理器实现了相同的指令集架构、使用了几乎一模一样的组成，然而在硬件实现上却有所区别。比如说，Core i7系列提供了一种台式计算机使用的型号，功能更强大能耗也更高，而为笔记本提供的型号性能稍差，然而能效更高。为硬件设备编写软件，如果有文档可以查阅我们很少需要了解具体硬件实现。计算机组成，尤其是指令集架构对于操作系统程序员来说会更有关系一些。也正是这个原因，下一章我们会专门深入学习x86指令集架构。
芯片组是有着多种功能的芯片。历史上，芯片组实际上是指一组独立的芯片，其中每一个都具体负责一个功能，比如内存控制器、图形控制器、网络控制器、电源控制器等等。随着硬件的发展，这一组芯片合并成了单个芯片，因而空间、能耗以及成本收益都更高。在台式计算机里，各种硬件设备通过主板这张PCB相互连接。每个CPU都需要兼容的主板承载它。每个主板都是由芯片组模型定义的，而这个模型决定了CPU可以控制的环境。通常，这个环境的组成包括：
- 一个或多个CPU插槽
- 由北桥和南桥两个芯片组成的芯片组
- 北桥芯片负责CPU、内存以及显卡之间的高速通信
- 南桥芯片负责与输入输出设备以及其他对性能不敏感的设备的通信。
- 内存条插槽
- 一个或多个显卡插槽
- 其他设备使用的通用插槽，比如网卡、声卡
- 输入输出设备的端口，比如键盘、鼠标、USB
图3.3.1 主板组成
要写一个完整的操作系统，程序员需要理解如何对这些设备编程。毕竟，操作系统应该自动管理硬件，从而避免每个应用程序也要这么做。然而对于所有组件来说，学习对CPU编程是最重要的，因为它出现在任意一台计算机内，无论哪种类型。也就是这个原因，本书主要关注于如何对x86 CPU编程。即使是只关注这一种设备，也可以写出一个相当不错的最小操作系统。背后的原因在于不是所有的计算机都像普通台式计算机一样包含了所有的设备。比如说，嵌入式计算机很可能只有CPU，相当有限的内存，以及获取输入、产生输出的针脚；然而，为这样的设备也已经有了很多操作系统。
然而，学习如何为x86 CPU编程是项艰巨的任务，为它编写的主要手册已经有了三本：第一卷大概有500页，第二卷超过2000页，第三卷超过1000页。对于一个程序员来说，掌握x86 CPU编程的各个方面会是一项令人印象深刻的壮举。
Q35是2007年9月发布的英特尔芯片组。Q35被用作高级计算机组成的范例是因为稍后我们将使用QEMU来模拟Q35系统，这是QEMU可以模拟的最新的英特尔系统。虽然发布于2007年，Q35对于今天的硬件来说也是相当现代的，它的相关知识可以直接复用在如今的芯片组模型上。有了Q35芯片组，模拟出来的CPU也相对较新，有着当今CPU所具备的各种功能，于是我们可以使用最新的英特尔软件手册。
图3.3.1是当下经典的主板组成图，而Q35有着类似的组成。
执行环境是提供了使代码可以执行的相关设施的环境。它需要解决下面几个问题：
- 支持的操作？ 输出传输、算术计算、控制、浮点。。。
- 运算数在哪里储存？ 寄存器、内存、栈、累加器
- 对于每个指令显式运算数分别有几个？0、1、2或是3
- 运算数位置是如何指定的？寄存器，立即，间接。。。
- 支持什么类型与大小的运算数？字节、整型数、单精度浮点数、双精度浮点数、字符串、向量。。。
- 等等等等
所以本章的其余部分，就是继续读英特尔手册第1卷到第3章完，“基本执行环境”。