Chapter10_4 80x86保护模式原理与结构

在IA32下，CPU有两种工作模式：实模式和保护模式。

在实模式下，段寄存器含有段值，为访问存储器形成物理地址时，处理器引用相应的某个段寄存器并将其值乘以16，形成20位的段基地址。

计算公式如下：物理地址= 段值*16 + 偏移其中段值和偏移都是16位的，这样通过“段：偏移”的方式达到了1MB的寻址能力。

在保护模式下，寄存器是32位的，但是为了兼容性，地址仍然用“段：偏移”的方式来表示，只不过这时的保护模式下的“段”的概念已经发生了根本的改变，虽然段值仍然由原来的cs、ds等寄存器表示，但是此时它仅仅是一个索引，叫做选择子，指向一个数据结构（叫做GDT，Global Descriptor Table全局描述符表或者LDT，Local Descriptor Table局部描述符表）的一个表项（叫做Descriptor描述符）。

1.全局描述符表寄存器GDTR（/u/16292/showart_396896.html）GDTR长48位，其中高32位为基地址，低16位为界限。

由于GDT 不能有GDT本身之内的描述符进行描述定义，所以处理器采用GDTR为GDT这一特殊的系统段提供一个伪描述符。

GDTR给定了GDT，如下图所示。

GDTR中的段界限以字节为单位。

由于段选择子中只有13位作为描述符索引，而每个描述符长8个字节，所以用16位的界限足够。

2.局部描述符表寄存器LDTR局部描述符表寄存器LDTR规定当前任务使用的局部描述符表LDT。

LDTR类似于段寄存器，由程序员可见的16位的寄存器和程序员不可见的高速缓冲寄存器组成。

实际上，每个任务的局部描述符表LDT作为系统的一个特殊段，由一个描述符描述。

而用于描述符LDT 的描述符存放在GDT中。

在初始化或任务切换过程中，把描述符对应任务LDT的描述符的选择子装入LDTR，处理器根据装入LDTR可见部分的选择子，从GDT中取出对应的描述符，并把LDT的基地址、界限和属性等信息保存到LDTR的不可见的高速缓冲寄存器中。

80X86保护模式及其编程（⼀）80x86系统寄存器和系统指令1、标志寄存器（EFLAGS）标志寄存器EFLAGS的标志位含义如下图：TF 位8是跟踪标志（Trace flag），当设置该位时可为调试操作启动单步执⾏⽅式。

复位时则禁⽌单步执⾏。

在单步执⾏⽅式下，处理器会在每个指令执⾏后产⽣⼀个调试异常，这样我们可以观察执⾏程序在每条指令执⾏后的状态。

IOPL 位13-12时I/O特权级（I/O Privilege Level）字段。

该字段指明当前运⾏程序或任务的I/O特权级别IOPL。

当前任务或程序的CPL必须⼩于这个IOPL才能访问I/O地址空间。

只有当CPL位特权级0时，程序才可以使⽤POPF或IRET指令修改这个字段，IOPL也是控制对IF标志修改的机制之⼀NT 位14是嵌套任务标志（Nested Task）。

它控制着被中断任务和调⽤任务之间的链接关系。

在使⽤CALL指令、中断或异常执⾏任务调⽤时，处理器会设置该标志，在通过IRET指令从⼀个任务返回时，处理器会检查并修改这个NT标志。

使⽤POPF/POPFD指令也可以修改这个标志，但是在应⽤程序中改变这个标志的状态会产⽣不可意料的异常RF 位16时恢复标志（Resume Flag）。

该标志⽤于控制处理器对断点指令的响应。

当设置时，这个标志会临时禁⽌断点指令产⽣调试异常；当标志复位时，则断点指令将会产⽣异常。

RF的主要功能是允许调试异常后重⾏执⾏⼀条指令。

当调试软件使⽤IRETD指令返回被中断程序之前，需要设置堆栈上EFLAGS内容中的RF标志，以防⽌指令断点造成另⼀个异常，处理器会在指令返回之后⾃动清除该标志，从⽽再次允许指令断点异常。

VM位17是虚拟-8086⽅式标志，当设置该标志时，新开启虚拟-8086⽅式，当复位该标志时，则回到保护模式内存管理寄存器处理器提供了4个内存管理寄存器（GDTR、LDTR、IDTR和TR），⽤于指定分段内存管理所使⽤的系统表的基地址，其中包含有分段机制的重要信息。

Intel 80x86 保護模式架構緒論Intel Architecture 架構概觀Intel Architecture 又稱x86 架構，因為它的第一代處理器的代號是8086，而其後繼產品依序以8088、80186、80188、80286……為代號，均為80x86 的形式；而在80286 之後，Intel 改以i386、i486 來命名，因此才被稱為x86 架構。

在i486 處理器之後，Intel 就不再以x86 的形式命名，所以在這裡以較正式的Intel Architecture 來稱呼這個架構（簡稱IA 架構）。

Intel Architecture 系列的處理器中，最早的8086 是一16 bit 的處理器，具有16 bit 的暫存器和data bus，並具有20 bit 的定址能力，能定址最多達1MB 的記憶體，在當時算是相當大的數目。

然而，20 bit 的位址和16 bit 的暫存器無法相符，因此Intel 設計了一種segment:offset 的定址方式，利用兩個16 bit 暫存器來表示一個20 bit 的位址。

到了80286 的時代，1MB 的定址能力已經不敷使用，因此Intel 為它設計了一個新的「保護模式」（Protected Mode），並將原先8086 所使用的方式稱為「實際模式」（Real Mode）。

80286 具有24 bit 的定址能力，可以定址16MB 的記憶體，但是只有在保護模式下才能發揮。

在實際模式中，為了維持和8086 的相容性（這點是Intel 非常堅持的），還是只能使用1MB 的記憶體。

80286 的保護模式已經有了多工作業的能力，並且可以保護各個節區的資料和程式不被其它程式干擾。

IBM 的OS/2 1.x 和Microsoft 的Windows 3.x 都有支援這個模式。

在i386 出現時，情形有很大的變化。

i386 是一個32 bit 的處理器，並具有32 bit 的定址能力，可以定址達4GB 的記憶體。

80x86 保护运行模式80386 概述80386 是一个高级的32 位微处理器，专门用于多任务的操作系统，并为需要高性能的应用所设计。

32位的寄存器和数据通道支持32 位的寻址方式和数据类型，处理器可以寻址最高可达4GB 的物理内存以及64TB（246字节）的虚拟内存。

芯片上的内存管理包括地址转换寄存器、高级多任务硬件、保护机制以及分页虚拟内存机制。

下面针对系统编程，概要说明使用80386 的这些基本原理。

系统寄存器设计用于系统编程的系统寄存器主要包括以下几类：标志寄存器EFALGS；内存管理寄存器；控制寄存器；调试寄存器；测试寄存器。

系统标志寄存器EFLAGS 控制着I/O、可屏蔽中断、调试、任务切换以及保护模式和多任务环境下虚拟8086 程序的执行。

其中主要标志见下图所示。

31 23 15 7 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0VMRFNTIOPLOFDFIFTFSFZFAFPF1CF其中系统标志：VM –虚拟8086 模式；RF –恢复标志；NT –嵌套任务标志；IO PL – I/O 特权级标志；IF –中断允许标志。

内存管理寄存器有4 个，用于分段内存管理：GDTR –全局描述符表寄存器(Global Descriptor Table Register)；LDTR –局部描述符表寄存器(Local Descriptor Table Register)；IDTR –中断描述符表寄存器(Interrupt Descriptor Table Register)；TR –任务寄存器。

其中前两个寄存器(GDTR,LDTR)分别指向段描述符表GDT 和LDT。

IDTR 寄存器指向中断向量表。

TR 寄存器指向处理器所需的当前任务的信息。

80386 共有4 个控制寄存器，分别是CR0、CR1、CR2 和CR3。

格式见下图所示。

31 23 15 7 0页目录基地址寄存器Page Directory Base Register (PDBR)保留ReservedCR3附录465页异常线性地址Page Fault Linear AddressCR2保留ReservedCR1PG保留ReservedETTSEMMPPECR0控制寄存器CR0 含有系统整体的控制标志。

Intel 80x86系列CPU保护模式下最核心的部件中几个寄存器的作用这里我们主要介绍Intel 80x86系列CPU保护模式下最核心的部件中几个寄存器的作用，这些寄存器在Linux内核运行时起着至关重要的作用。

至于其他那些各式各样的硬件设备，我们在讲解设备驱动时会针对具体的驱动程序来介绍的。

首先，大家先看看CPU的主要架构：
EU(通用寄存器、运算器和控制器)执行部件：完成指令所要求的功能。

SU(段寄存器、段转换器)分段部件：完成执行单元的地址请求, 将虚地址转换为线性地址。

PU(TLB、页转换器)分页部件：将线性地址转换为物理地址。

BIU(总线接口)接口部件：完成指令预取请求和执行单元的数据存取请求，数据存取请求优先于指令预取请求。

IPU(控制逻辑和预取队列)预取部件：16字节指令预取队列, 提出预取请求。

IDU(指令译码、6字节指令队列)译码部件：完成指令译码功能。

FPU(片内集成了浮点协处理器)：专用于浮点运算的处理部件。

下面，我们针对EU、SU和PU模块做做详细说明，其他模块就暂时不介绍了。

1 EU模块
EU模块是CPU中最核心，最重要的部件。

现在的奔腾CPU已经发展了若干年了，但其中最起作用的还是加法单元ALU，一组通用寄存器组、一个标志和控制逻辑。

如图：
首先，8个32位通用寄存器按使用情况分为三种：指针寄存器、变址寄存器、数据寄存器。

[1] 指针寄存器：主要提供全部或部分偏移量
ESP：专门存放堆栈段中栈顶单元的偏移量。

EBP：存放堆栈段中某个单元的全部/部分偏移量，也可存放32位或16位操作数或运算结果。

[2] 变址寄存器。