Intel微处理器学习笔记(二) 三种模式

时间:2021-10-25 01:24:56

  三种模式:实模式、保护模式和平展模式。

  实模式存储器(DOS存储器)位于00000H~FFFFFH,共1M空间(任何型号微处理器都支持)。

  保护模式存储器(Windows存储器)可位于整个保护存储系统的任何位置(80286以上的微处理器)。

  平展模式(Windows Vista以上),64位扩展,可寻址1TB的内存(Pentium 4以上未处理器)。

 

  64位通用寄存器:RAX(累加器)、RBX(基址)、RCX(计数)、RDX(数据)、RBP(基指针)、RDI(目的变址)、RSI(源变址)。

  64位专用寄存器:RIP(指令指针)、RSP(堆栈指针)、RFLAGS(状态)。

  64位段寄存器:CS(代码段)、DS(数据段)、ES(附加段)、SS(堆栈段)、FS(标志,指向当前活动线程的TEB结构->线程结构)、GS(全局)。

 

  原来放段地址的段寄存器存选择子(selector),用于选择描述表内的一个描述符。描述符(descriptor)描述存储器段的位置、长度和访问权限。一个描述符说明了一个存储段。

  段寄存器可访问两个描述符表:一个是全局描述符表,一个是局部描述符表。全局描述符(global descriptor)适用于所有程序的段定义,而局部描述符(local descriptor)通常用于唯一的应用程序。全局描述符又称系统描述符(system descriptor),局部描述符又称应用描述符(application descriptor)。每个描述符表共2^13=8192个描述符,故两个描述符表共8192*2=16384个描述符。故,一个应用程序可访问内存大小为4G*16384=64TB。

  每个描述符长8B,故全局和局部描述符表每个最长为64KB。

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图一 Core2微处理器描述符

   1. 基地址(base address)部分表示存储器段的起始位置。

  2. 段界限(segment limit)包含该段中最大的偏移地址。80286访问长度为1B~64KB,而80386之上则为1B~1MB或者4KB~4GB。受控于标志位G粒度位(granularity bit)。

  3. L位是large的意思,决定是否开启32或64位保护模式。64没有段或者界限,只包含一个访问权限字节和若干控制位,段的基地址为00 0000 0000H,即所有代码段都从地址0开始,且没有边界检查。

  4. AV(active)位指示段是否有效。

  5. D位标志是否打开32位指令,1为32位指令(只能用于保护模式),0为16位指令。

  6. 访问权限字节(access rights byte)控制着对保护模式中存储器段的访问,它全面控制着段。例如,如果是数据段,则指定其增长方向。注意,在64位模式中,只有代码段,而没有其它段描述符类型,一个64位平展模式的程序在代码段包含数据和堆栈。

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图二 访问权限字节

   描述符是通过段寄存器从描述符表中选择的。在段寄存器中,包含13位选择子字段、表选择子位(TI)和请求优先级字段。如下图:

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图三 段寄存器内容

  Windows将优先级00赋予内核和驱动程序(同Linux),而分配给应用程序为优先级11。Windows不用优先级01和10。

 

  平展模式内存系统是不存在分段的系统。首地址为00 0000 0000H,尾地址为FF FFFF FFFFH(40位)。它不使用段寄存器进行寻址。CS只定义代码段访问权限的描述符表中的选择描述符。段寄存器仍负责选择软件的优先级。但不使用描述符中的基址和界限来选择段的内存地址,不会像32位模式下那样修改实际内存地址。64位模式下的偏移地址即是实际的物理地址,且实模式系统是不可用的,但仍允许保护机制和页面调度(CS)。另外,它的打开有L标志位控制。

  另外,由于地址只有40位,故任何超过40位的地址都会被截断。Pentium工作在完全的64位模式下(目前大多数应用程序都是工作在IA32兼容模式下的)。另外,也不是所有的指令都是支持64位的(例如指令的偏移地址的位数就可能会限制住)。