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微处理器及其结构

寄存器

段寄存器

通用寄存器

general-purpose-registers

注:

  1. 部分寄存器

    • 写入 ah, al 时, ax / eax / rax 高位不变
    • 写入 ax 时, eax / rax 高位不变
    • 写入 eax 时 rax 高位自动清零
      • 这样避免了 eax 与 rax 的相关性，方便寄存器重命名

  2. 寄存器编码: 顺序是 ax, cx, bx, dx, sp, bp, si, di

  3. REX 前缀:

    • ah, bh, ch, dh 变成了 spl, bpl, sil, dil
    • 详见 REX 前缀

状态寄存器

  • 16 位: flags
  • 32 位: eflags
  • 64 位: rflags

状态标志位: CF, PF, AF, ZF, SF, TF, IF, DF, OF

系统运行模式与内存寻址

总览

  1. Legacy Mode:

    memory-management-legacy

    • 实模式 (Real Mode): 16 位段寄存器作为选择值 (Selector), 有效地址 16 位, 经过运算得到 20 位物理地址，直接访问内存 (最大 1 MiB).
    • 虚拟 8086 模式 (Virtual 8086 Mode): 在 8086 寻址基础上，添加了可选的分页机制，扩大了可访问内存的范围.
    • 保护模式 (Protected Mode): 段寄存器只使用 16 位，作为选择值, 有效地址使用 32 位，通过段的描述符得到 Linear Address，再经过可选的分页机制得到物理地址.

  2. Long Mode:

    memory-management-long

    • 兼容模式 (Compatibility Mode): 类似保护模式，Virtual Address 为 32 位.
    • 64 位模式 (64-bit Mode): 64 位地址，只使用分页机制.

实模式

寻址方式

实模式下，没有虚拟内存的概念，所有内存地址均为物理地址。实模式采用 Fixed Segment，即定长分段的内存管理模式。

与操作系统课程中学习的分段有一点点不同，实模式的分段实际上就是一个硬件设计的技巧: 在 Intel 8086 处理器上，其地址总线为 20 位，可以寻址 1 MiB 的内存空间。然而 8086 的寄存器却只有 16 位，因此，8086 将内存地址分为段地址 (segment) 和偏移地址 (offset)，并在计算地址时，将来自段寄存器的段地址左移四位，并与偏移地址相加，得到 20 位物理地址:

\[ \text{Physical Addr} = \text{Segment} << 4 + \text{Offset} \]

特点:

  • 所有程序共享物理地址空间，便于共享，但也没有隔离。
  • Wrap Around 地址回绕: 当段地址 << 4 + 偏移地址超过 20 位地址总线时，会发生自然溢出，导致地址回绕。比如 FFFF:FFFF 的物理地址为 0x10FFEF, 超出了 1 MiB 的范围，因此回绕为 0x0FFEF. 又比如 F800:8000 指向 0x100000, 实际访问的便是 0x00000.

中断向量表

保护模式

基本概念

保护模式采用 Variable Length Segment 即可变长度分段的内存管理方式。保护模式下，有一个非常重要的概念: 描述符 (descriptor)，它是描述每个段属性的结构。这个描述符，实际上是 GDT (Global Descriptor Table) 或 LDT (Local Descriptor Table) 中的索引，通过它找到对应表项，就能获取到段的属性信息。

三个重要的描述符表:

  • GDT: 全局描述符表，存放系统中所有进程的段描述符.
  • LDT: 局部描述符表，存放当前进程的段描述符.
  • IDT: 中断描述符表，存放中断处理程序的入口地址.

描述符的结构: segment-descriptor-structure

  • L 位: 64 位模式使用分页机制，描述符新增了 L 位，需要开启 Long bit 来进入 64-bit 模式

  • Base: 基地址 (80286: 24 位, 80386 及以后: 32 位)

  • Limit: 段长度

  • G 位: 粒度位，设置为 1 时，Limit 的长度 1 bit 代表 4 KiB, 这样 4 KiB * 2^20 = 2^32 可以访问 32 位全部的内存

  • D / B 位: 代码段对应 D, 数据段对应 B, 表示默认操作数和有效地址长度

  • P 位: 描述符是否有效

  • DPL 位 (2 bit):

    • 权限级别分为: Ring 0, Ring 1, Ring 2, Ring 3, 数字越小级别越高
    • 不得越权访问，提升权限需要通过门描述符 (Gate Descriptor)

  • S 位: 是否为系统描述符

  • Type 字段:

    • 对于非系统描述符，表示代码 / 堆栈 / 数据，以及读写权限:

      segment-descriptor-type-field

      • E 位: 扩展方向
        • E = 0: 向上扩展，offset 范围 0 - limit
        • E = 1: 向下扩展，offset 范围 limit - 0xFFFFFFFF (用于堆栈段)
      • W 位: 数据段是否可写
      • C 位: 一致性代码段
        • C = 0: 非一致性，只能被同特权级别代码段调用，或者通过门描述符调用
        • C = 1: 一致性，低特权级别程序可以使用，但权限保持原级别
        • 具体机制详见下面 DPL, RPL, CPL 的描述
      • A 位: 是否访问过
        • 对于系统描述符，有如下几种:
      • 1100: Call Gate
      • 0101: Task Gate
      • D110: Interrupt Gate
      • D111: Trap Gate (D 指示门描述符大小 1 = 32 位, 0 = 16 位)

选择值的结构:

segment-selector-structure

选择值 (CS / DS / SS 存的 16-bit):

  1. 第 15-3 位 (13-bit, 8 KiB 个描述符): Descriptor index
  2. 第 2 位: TI, 表示描述符索引在 GDT (全局描述符) 还是 LDT (局部描述符)
  3. 第 1-0 位: RPL 选择值自身的权限 Ring 0 - Ring 3

安全级别的设置:

  1. DPL: 描述符权限级别
  2. RPL: 请求的权限级别，放在 DS 寄存器的低 2 位
  3. CPL: CPU 自身的权限级别，放在 CS 寄存器的低 2 位

RPL 和 CPL，通过门描述符越级执行高权限的代码时，请求的内存地址还是原来的权限级别

  • 数据需要 MAX(RPL, CPL) <= DPL
  • 堆栈需要 CPL = RPL = DPL

example-priv-segment-access

描述符表的基地址由专门的寄存器存储: GDTR 全局描述符寄存器, LDTR 局部描述符寄存器, IDTR 中断描述符寄存器

寻址方式

分段机制:

protection-mode-segmentation

分页机制:

protection-mode-paging

相关计算

  1. 计算段界限

    计算方法:

    • G = 0 limit 1 bit = 1 B, 段大小 = (limit + 1) B

    • G = 1 limit 1 bit = 4 KiB, 段大小 = (limit + 1) x 4 KiB

    例题

    计算下面的段起始地址和结束地址: Base: 1000 0000, limit: 001FF

    • G = 0, 1000 0000 - 1000 01FF

    • G = 1, 1000 0000 - 101F FFFF (结束位置 = 起始位置 + 段长度 - 1)

    Tips: G = 1 时，左移 3 个十六进制位，补FFF

  2. 中断向量与入口地址计算

    计算方法:

    • 根据 IDTR 找到中断描述符表:

    idtr-and-idt

    • 根据中断向量号找到对应的描述符:

    interrupt-procedure-protection-mode

    该中断描述符会包含一个段选择值和偏移量，然后再走一遍分段机制，找到中断服务程序

保护模式的异常和中断:

中断向量号 助记符 介绍 类型 原因
0 #DE Divide Error Fault DIV 和 IDIV 指令
1 #DB Debug Exception Fault/Trap 指令、数据和 I/O 断点；单步执行等
2 — NMI Interrupt Interrupt 不可屏蔽的外部中断
3 #BP Breakpoint Trap INT3 指令
4 #OF Overflow Trap INTO 指令
5 #BR BOUND Range Exceeded Fault BOUND 指令
6 #UD Invalid Opcode (Undefined Opcode) Fault 无效指令或保留指令
7 #NM Device Not Available (No Math Coprocessor) Fault 浮点指令或 WAIT/FWAIT 指令
8 #DF Double Fault Abort 任何会触发异常、NMI 或 INTR 的指令
9 — Coprocessor Segment Overrun (reserved) Fault 浮点指令
10 #TS Invalid TSS Fault 任务切换或访问 TSS
11 #NP Segment Not Present Fault 加载段寄存器或访问系统段
12 #SS Stack-Segment Fault Fault 堆栈操作或加载 SS 寄存器
13 #GP General Protection Fault 任何内存引用和其他保护检查
14 #PF Page Fault Fault 任何内存引用
15 — Intel reserved. Do not use. — —
16 #MF x87 FPU Floating-Point Error (Math Fault) Fault x87 FPU 浮点指令或 WAIT/FWAIT 指令
17 #AC Alignment Check Fault 任何内存数据引用
18 #MC Machine Check Abort 错误代码（如果有）及来源取决于具体型号
19 #XM SIMD Floating-Point Exception Fault SSE/SSE2/SSE3 浮点指令
20 #VE Virtualization Exception Fault EPT 违规
21 #CP Control Protection Exception Fault RET、IRET、RSTORSSP 和 SETSSBSY 指令可能触发此异常，或由于缺少 ENDBRANCH 指令导致的异常跳转
22-31 — Intel reserved. Do not use. — —
32-255 — User Defined (Non-reserved) Interrupts Interrupt 外部中断或 INT n 指令

特权级别

ring-priv

门描述符: 门描述符是一种特殊的描述符，用于实现特权级别的转换。门描述符有两种: 任务门 (Task Gate) 和中断门 (Interrupt Gate)。

64 位模式

RIP 相对寻址

在 64 位模式下，当 ModR/M 位的 r/m 为 101 时，是根据下一条指令的 RIP + 相对偏移量来寻址 (兼容模式时时相对于 0 计算的). 此时 REX 前缀不影响 RIP 相对寻址.

rip-relative-addressing

地址规范形式

64 位模式下，地址为规范形式 (canonical form) 意味着从第 63 位到地址的 MSB 之前，必须是全 0 或全 1.

比如对于 48 位线性地址 addr，addr[63:48] 为全 0 或全 1:

  • 规范形式: 0xFFFF 8010 BC00 1000, 0x0000 7C80 B810 2040
  • 非规范形式: 0x1122 3344 5566 7788

系统运行模式切换

mode-switching

内存地址类型及转换

内存分页机制

32 位分页: 10-10-12

32 位 PAE 分页: 2-9-9-12

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