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底板芯片组与内存映射

我打算写一些关于计算机内部构造（computer internal）的博文（post），以解释现代操作系统内核是如何工作的。希望对一些在这方面没有经验，又感兴趣的程序员和爱好者（enthusiasts and programmers）提供些帮助。这些博文主要关注于Linux，Windows，以及Intel处理器。计算机的内部构造是我的兴趣之一。我曾经写过一些类似于内核-模式的代码，但已经很久没有做了。这第一篇博文介绍下现代的基于Intel的底板布局（the layout of modern Intel-based motherboard），CPU如何访问内存（access memory）以及系统内存映射（system memory map）。

在开始之前，让我们看一看当今的Intel计算机是如何构成的。下面的图表展示了底板的主要构成:

Diagram for modern motherboard. The northbridge and southbridge make up the chipset.

在查看上述图表时，你需要记忆的关键点是：CPU并不知道它连接着什么东西。CPU通过针脚（pin）与外界（outside world）通信，但并不关心外界是什么。可能是计算机上的一块底板（a motherboard in a computer），也许是一个烤面包机（toaster），网络路由器，脑移植物（brain implant）或者CPU测试仪。CPU与外界有三种主要的通信方式：内存地址空间（memory address space），IO地址空间（I/O address space）以及中断（interrupt）。这里我们仅关注底板与内存。

在底板上，CPU通过前端总线（front-side bus）连接到北桥（north-bridge），无论任何时候，CPU均通过该总线读取或写入内存。它通过一些管脚（pin）来传递欲写入或读取的物理内存地址（physical memory addres），另一些管脚则用于发送待写入的值（the value to be written）或者接受待读取的值。Intel双核QX660芯片用33个管脚来传输物理内存地址（physical memory address）（因而共有2³³个内存地址），用64个管脚来发送或读取数据（因而数据是按照64位数据宽度或8字节块（8 byte chunks）传输的）。这允许CPU访问64giga比特的物理内存地址（2³³*8字节），尽管多数的芯片组（chipset）仅至多处理8giga字节的RAM。

现在问题来了。通常说到内存往往是对RAM而言的----程序一直在读取与写入的东西（stuff）。的确，来自处理器的多数内存请求均通过北桥指向（routed to）RAM。但是并非总是如此【即，并非所有的请求均发送至RAM】。物理内存地址（physical memory address）也用于底板之上的各种各样设备间通信（此类通信称作 内存映射(memory-mapped)I/O）。这些设备包括视频卡（video card），大多数PCI 卡(say, a scanner or SCSI card),以及存储BIOS的闪存（flash memory）。

当北桥（northbridge）收到物理内存请求后，它决定向何处转发该请求：应该送至（go to）RAM么?或许是视频卡（Video Card）？该转发过程（routing）是通过内存地址映射（memory address map）完成的。对于每一块物理内存地址空间，内存映射（memory map）知道哪个设备拥有该内存区域。大部分（the bulk of）内存被映射至RAM，但当该内存地址不在RAM的内存映射中时，就通知了芯片组哪些设备应该响应对这些地址的请求。这些RAM之外的内存地址空间映射造就了PC上位于640KB与1M之间经典的“洞”。当为视频卡与PCI设备预留内存空间时，该“洞”会变得更大。这就是为什么32位的操作系统在使用4giga RAM时存在问题。在Linux上，文件/proc/iomem简明地列出了此类映射地址范围（address range mappings）。下面的图表展示了Intel PC上前4giga 物理内存地址空间的经典内存映射：

实际的内存地址与范围取决于计算机上特定的底板与设备，但大部分双核系统同上述描述的内存布局很相似。所有的棕色部分均映射至RAM之外【棕色为IO,灰色映射至RAM】。请务必记住：这里所列的地址是供底板总线使用的物理内存地址。在CPU内部运行的程序（例如，我们运行与编写的程序），其内存地址是逻辑的（logical），必须在使用总线获取该地址之前，通过CPU转换为物理内存地址。

将逻辑地址转换为物理地址的规则是复杂的，并且依赖于CPU运行的模式（实模式（real mode）、32-位保护模式（32-bit protected mode）、64-位保护模式（64-bit protected mode））。不考虑转换机制（translation mechanism），CPU模式据顶了可以存取的物理内存空间大小。例如，如果CPU运行在32-位模式，那么它仅能访问4GB物理地址（这里有一个例外，称作物理地址扩展（physical address extension），但现在不用考虑）。由于物理内存的顶端约1G空间用于映射底板设备（motherboard device），CPU仅能有效地使用越3G RAM（有时更少-我有一台vista机器，仅可用2.4G）。如果CPU位于实模式（real mode），那么它仅能访问1M字节的物理RAM(这是早期Intel处理器仅有的模式)。另一方面，运行与62-位模式的CPU可以访问64GB RAM（尽管很少芯片组支持那么大的RAM）。在64-位模式下，CPU可以访问超过RAM大小的物理地址，而这些地址常用于底板设备。这被称作内存回收（reclaiming memory），它通过芯片组的辅助实现的。

这就是下篇博文需要的所有内存知识背景，该文将介绍从按下电源开始，直到bootloader即将跳入到内核为止的整个过程。关于这个话题，如果你想学习更多东西，强烈建议阅读Intel手册。我已经全面的进入到了主要的源代码，但是Intel手册写的特别好并且非常准确。下面是一些（省略）。

§  Datasheet for Intel G35 Chipset documents a representative chipset for Core 2 processors. This is the main source for this post.

§  Datasheet for Intel Core 2 Quad-Core Q6000 Sequence is a processor datasheet. It documents each pin in the processor (there aren’t that many actually, and after you group them there’s really not a lot to it). Fascinating stuff, though some bits are arcane.

§  The Intel Software Developer’s Manuals are outstanding. Far from arcane, they explain beautifully all sorts of things about the architecture. Volumes 1 and 3A have the good stuff (don’t be put off by the name, the “volumes” are small and you can read selectively).

§  Pádraig Brady suggested that I link to Ulrich Drepper’s excellent paper on memory. It’s great stuff. I was waiting to link to it in a post about memory, but the more the merrier.

原文地址：http://duartes.org/gustavo/blog/post/motherboard-chipsets-memory-map