IA32寄存器
IA32寄存器
IA32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IA32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
1、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。
2、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IA32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IA32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
3、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：EFLAGS 标志寄存器
EIP 指令指针
CR0 机器状态字
CR1 Intel保留
CR2 页故障地址
CR3 页目录地址
3.1、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。
EFLAGS（32位）：
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 VM RF 0 NT IOPL OF DF IF TF SF ZF 0 AF 0 PF 0 CF
VM 虚拟方式
RF 恢复方式
NT 嵌套方式
IOPL I/O特权
OF 溢出标志
DF 定向标志
IF 允许中断标志
TF 自陷标志
SF 符号标志
ZF 零标志
AF 辅助进位
PF 奇偶标志
CF 进位标志
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，CS段寄存器的一个两位字段，用以指明CPU的当前特权级）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。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IA32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IA32新设置的一个标志位。表示IA32CPU是在虚拟8086环境中运行。如果IA32CPU是在保护模式下运行，而VM为又被置成1，这时IA32 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，但在本书中我们不准备对此进行详细讨论。
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。
3.2、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。现在我们详细看看它们的结构。
CR0（32位寄存器）：
PG 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ET TS EM MP PE
PG 分页允许
ET 处理器扩展
TS 任务转换
EM 模拟协处理器
MP 监控协处理器
PE 保护允许
CR1（32位寄存器）
CR2（32位寄存器）：页故障线性地址寄存器
CR3（32位寄存器）：
页目录基址寄存器 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
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。由PG位和PE位定义的操作方式：
PG PE 方式
0 0 实模式，8086操作
0 1 保护模式，但不允许分页
1 0 出错
1 1 允许分页的保护模式
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。
4、系统地址寄存器
IA32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。
5、调试寄存器和测试寄存器
5.1、调试寄存器
IA32为调试提供了硬件支撑。在IA32芯片内有8个32位的调试寄存器DR0~DR7。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。
5.2、测试寄存器
IA32 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。
IA32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IA32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
1、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。
2、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IA32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IA32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
3、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：EFLAGS 标志寄存器
EIP 指令指针
CR0 机器状态字
CR1 Intel保留
CR2 页故障地址
CR3 页目录地址
3.1、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。
EFLAGS（32位）：
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 VM RF 0 NT IOPL OF DF IF TF SF ZF 0 AF 0 PF 0 CF
VM 虚拟方式
RF 恢复方式
NT 嵌套方式
IOPL I/O特权
OF 溢出标志
DF 定向标志
IF 允许中断标志
TF 自陷标志
SF 符号标志
ZF 零标志
AF 辅助进位
PF 奇偶标志
CF 进位标志
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，CS段寄存器的一个两位字段，用以指明CPU的当前特权级）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。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IA32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IA32新设置的一个标志位。表示IA32CPU是在虚拟8086环境中运行。如果IA32CPU是在保护模式下运行，而VM为又被置成1，这时IA32 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，但在本书中我们不准备对此进行详细讨论。
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。
3.2、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。现在我们详细看看它们的结构。
CR0（32位寄存器）：
PG 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ET TS EM MP PE
PG 分页允许
ET 处理器扩展
TS 任务转换
EM 模拟协处理器
MP 监控协处理器
PE 保护允许
CR1（32位寄存器）
CR2（32位寄存器）：页故障线性地址寄存器
CR3（32位寄存器）：
页目录基址寄存器 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
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。由PG位和PE位定义的操作方式：
PG PE 方式
0 0 实模式，8086操作
0 1 保护模式，但不允许分页
1 0 出错
1 1 允许分页的保护模式
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。
4、系统地址寄存器
IA32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。
5、调试寄存器和测试寄存器
5.1、调试寄存器
IA32为调试提供了硬件支撑。在IA32芯片内有8个32位的调试寄存器DR0~DR7。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。
5.2、测试寄存器
IA32 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。