cyliu
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带你走进linux(2) - x86硬件部分

楼主#
更多 发布于:2008-11-01 20:15
 i386的寄存器

   80386作为80X86系列中的一员,必须保证向后兼容,也就是说,既要支持16位的处理器,也要支持32位的处理器。在8086中,所有的寄存器都是16位的,下面我们来看一下80386中寄存器有何变化:

·      把16位的通用寄存器、标志寄存器以及指令指针寄存器扩充为32位的寄存器

·      段寄存器仍然为16位。

·      增加4个32位的控制寄存器

·      增加4个系统地址寄存器

·      增加8个调式寄存器

·      增加2个测试寄存器


通用寄存器

 8个通用寄存器是8086寄存器的超集,它们的名称和用途分别为:

 EAX  一般用作累加器

 EBX  一般用作基址寄存器(Base)

 ECX  一般用来计数(Count)

 EDX  一般用来存放数据(Data)

 EBP  一般用作堆栈指针(Stack Pointer)

 EBP  一般用作基址指针(Base Pointer)

 ESI   一般用作源变址(Source Index)

 EDI   一般用作目标变址(Destinatin Index)

      8个通用寄存器中通常保存32位数据,但为了进行16位的操作并与16为机保持兼容,它们的低位部分被当成8个16位的寄存器,即AX、BX…DI。为了支持8位的操作,还进一步把EAX、EBX、ECX、EDX这四个寄存器低位部分的16位,再分为8位一组的高位字节和低位字节两部分,作为8个8位寄存器。这8个寄存器分别被命名为AH、BH、CH、DH和AL、BL、CL、DL。对8位或16位寄存器的操作只影响相应的寄存器。例如,在做8位加法运算时,位7的进位并不传给目的寄存器的位9,而是把标志寄存器中的进位标志(CF)置位。因此,这8个通用寄存器既可以支持1位、8位、16位和32位数据运算,也支持16位和32位存储器寻址。


段寄存器

8086中有4个16位的段寄存器:CS、DS、SS、ES,分别用于存放可执行代码的代码段、数据段、堆栈段和其他段的基地址。在80386中,有6个16位的段寄存器,但是,这些段寄存器中存放的不再是某个段的基地址,而是某个段的选择符(Selector)。因为16位的寄存器无法存放32位的段基地址,段基地址只好存放在一个叫做描述符表(Descriptor)的表中。因此,在80386中,我们把段寄存器叫做选择符。下面给出6个段寄存器的名称和用途:

CS  代码段寄存器

DS  数据段寄存器

SS  堆栈段寄存器

ES、FS及GS  附加数据段寄存器

有关段选择符、描述符表及系统表地址寄存器将在段机制一节进行详细描述。

状态和控制寄存器

状态和控制寄存器是由标志寄存器EFLAGS、指令指针EIP和4个控制寄存器组成:

标志寄存器

指令指针

机器状态字

Intel保留

页故障地址

页目录地址

 1.指令指针寄存器和标志寄存器

   指令指针寄存器EIP中存放下一条将要执行指令的偏移量(offset ),这个偏移量是相对于目前正在运行的代码段寄存器CS而言的。偏移量加上当前代码段的基地址,就形成了下一条指令的地址。EIP中的低16位可以分开来进行访问,给它起名叫指令指针IP寄存器,用于16位寻址。

   标志寄存器EFLAGS存放有关处理器的控制标志。标志寄存器中的第1、3、5、15位及18~31位都没有定义。

     在这些标志位中,我们只介绍在Linux内核代码中常用且重要的几个标志位:

第8位TF(Trap Flag)是自陷标志,当将其置1时则可以进行单步执行。当指令执行完后,就可能产生异常1的自陷。也就是说,在程序的执行过程中,每执行完一条指令,都要由异常1处理程序 (在Linux内核中叫做debug())进行检验。当将第8位清0后,且将断点地址装入调试寄存器DR0~DR3时,才会产生异常1的自陷。                                  

第12、13位IOPL是输入输出特权级位,这是保护模式下要使用的两个标志位。由于输入输出特权级标志共两位,它的取值范围只可能是0、1、2和3共4个值,恰好与输入输出特权级0~3级相对应。但Linux内核只使用了两个级别,即0和3级,0表示内核级,3表示用户级。在当前任务的特权级CPL(Current Privilege Level)高于或等于输入输出特权级时,就可以执行像IN、OUT、INS、OUTS、STI、CLI和LOCK等指令而不会产生异常13(即保护异常)。在当前任务特权级CPL为0时,POPF(从栈中弹出至标志位)指令和中断返回指令IRET可以改变IOPL字段的值。

第9位IF(Interrupt Flag)是中断标志位,是用来表示允许或者禁止外部中断(参看第四章)。若第9位IF被置为1,则允许CPU接收外部中断请求信号;若将IF位清0,则表示禁止外部中断。在保护模式下,只有当第12、13位指出当前CPL为最高特权级时,才允许将新值置入标志寄存器EFLAGS以改变IF位的值。

第10位DF(Direction Flag)是定向标志。DF位规定了在执行串操作的过程中,对源变址寄存器ESI或目标变址寄存器EDI是增值还是减值。如果DF为1,则寄存器减值;若DF为0,则寄存器值增加。

第14位NT是嵌套任务标志位。在保护模式下常使用这个标志。当80386在发生中断和执行CALL指令时就有可能引起任务切换。若是由于中断或由于执行CALL指令而出现了任务切换,则将NT置为1。若没有任务切换,则将NT位清0。

第17位VM (Virtual 8086 Mode Flag)是虚拟8086方式标志,是80386新设置的一个标志位。表示80386CPU是在虚拟8086环境中运行。如果80386CPU是在保护模式下运行,而VM为又被置成1,这时80386就转换成虚拟8086操作方式,使全部段操作就像是在8086CPU上运行一样。VM位只能由两种方式中的一种方式给予设置,即或者是在保护模式下,由最高特权级(0)级代码段的中断返回指令IRET设置,或者是由任务转换进行设置。Linux内核实现了虚拟8086方式。

   从上面的介绍可以看出,要正确理解标志寄存器EFLAGS的各个标志需要很多相关的知识,有些内容在本章的后续部分还会涉及到。在后面的章节中,你会体会如何灵活应用这些标志。

2.控制寄存器

 状态和控制寄存器组除了EFLAGS、EIP ,还有四个32位的控制寄存器,它们是CR0,CR1,CR2和CR3。

这几个寄存器中保存全局性和任务无关的机器状态。

CR0中包含了6个预定义标志,0位是保护允许位PE(Protedted Enable),用于启动保护模式,如果PE位置1,则保护模式启动,如果PE=0,则在实模式下运行。1位是监控协处理位MP(Moniter coprocessor),它与第3位一起决定:当TS=1时操作码WAIT是否产生一个“协处理器不能使用”的出错信号。第3位是任务转换位(Task Switch),当一个任务转换完成之后,自动将它置1。随着TS=1,就不能使用协处理器。CR0的第2位是模拟协处理器位 EM (Emulate coprocessor),如果EM=1,则不能使用协处理器,如果EM=0,则允许使用协处理器。第4位是微处理器的扩展类型位ET(Processor Extension Type),其内保存着处理器扩展类型的信息,如果ET=0,则标识系统使用的是287协处理器,如果 ET=1,则表示系统使用的是387浮点协处理器。CR0的第31位是分页允许位(Paging Enable),它表示芯片上的分页部件是否允许工作。

CR1是未定义的控制寄存器,供将来的处理器使用。

CR2是页故障线性地址寄存器,保存最后一次出现页故障的全32位线性地址。

CR3是页目录基址寄存器,保存页目录表的物理地址,页目录表总是放在以4K字节为单位的存储器边界上,因此,它的地址的低12位总为0,不起作用,即使写上内容,也不会被理会。

     这几个寄存器是与分页机制密切相关的,因此,在进程管理及虚拟内存管理中会涉及到这几个寄存器,读者要记住CR0、CR2及CR3这三个寄存器的内容。

系统地址寄存器

  80386有4个系统地址寄存器,它保存操作系统要保护的信息和地址转换表信息:

GDTR
IDTR
TR
LDTR

这4个专用寄存器用于引用在保护模式下所需要的表和段,它们的名称和作用如下:

·      全局描述符表寄存器GDTR(Global Descriptor Table Register ),是48位寄存器,用来保存全局描述符表(GDT)的32位基地址和16为GDT的界限。

·      中断描述符表寄存器IDTR(Interrupt Descriptor Table Register),是48位寄存器,用来保存中断描述符表(IDT)的32位基地址和16为IDT的界限。

·      局部描述符表寄存器LDTR(Global Descriptor Table Register ),是16位寄存器,保存局部描述符表LDT段的选择符。

·      任务状态寄存器TR(Task State Register)是16位寄存器,用于保存任务状态段TSS段的16位选择符。

    用以上4个寄存器给目前正在执行的任务(或进程)定义任务环境、地址空间和中断向量空间。有关全局描述符表GST、中断描述符表IDT、局部描述符表LDT及任务状态段TSS的具体内容将在稍后进行详细描述。


调试寄存器和测试寄存器

 1.调试寄存器

80386为调试提供了硬件支撑。在80386芯片内有8个32位的调试寄存器DR0~DR7,如图2.6所示。

     这些寄存器可以使系统程序设计人员定义4个断点,用它们可以规定指令执行和数据读写的任何组合。DR0~DR3是线性断点地址寄存器,其中保存着4个断点地址。DR5、DR6是两个备用的调试寄存器,目前尚未定义。DR6是断点状态寄存器,其低序位是指示符位,当允许故障调试并检查出故障而进入异常调试处理程序(debug())时,由硬件把指示符位置1,调试异常处理程序在退出之前必须把这几位清0。DR7是断点控制寄存器,它的高序半个字又被分为4个字段,用来规定断点字段的长度是1个字节、2个字节、4个字节及规定将引起断点的访问类型。低序半个字的位字段用于“允许”断点和“允许”所选择的调试条件。

2. 测试寄存器

   80386有两个32位的测试寄存器TR6和TR7。这两个寄存器用于在转换旁视缓冲器(Translation Lookaside Buffer)中测试随机存储器(RAM)和相联存储器(CAM)。TR6是测试命令寄存器,其内存放测试控制命令。TR7是数据寄存器,其内保存转换旁路缓冲器测试的数据。


 




走走看看开源好 Solaris vs Linux
zw111_2001
驱动牛犊
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沙发#
发布于:2008-11-03 11:40
cy的贴必顶
yaya_jan
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板凳#
发布于:2008-11-12 16:51
顶一下,还挺系统的。。。。thx
游客

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