第三章笔记《操作系统真相还原》

• section
• vstart
• CPU的工作原理
• 通用寄存器介绍
• 实模式下CPU内存寻址方式
• 实模式下的ret
• 实模式下的Call
• 实模式下的jmp
• Eflag寄存器标志位
• CPU如何与外设通信--IO接口
• A32体系的in， out指令

section

关键字section并没有对程序中的地址产生任何影响，即在默认的情况下，有没有section是一样的，section相当于整个文件的顺延，仅仅是逻辑上让开发人员梳理程序之用。

vstart

为section指定一个虚拟的起始地址，根据此地址，在文件是找不到相关数据的，他被用来计算该section内的所有内存引用地dec。整个虚拟地址与x86CPU中开启分页后的虚拟地址是两码事。

CPU的工作原理

控制单元要取下一条待运行的指令，该指令的地址在程序计数器PC中，在x86CPU上，程序计数器CS：IP。于是读取ip寄存器后，将该地址送入地址总线，CPU根据此地址便得到了指令，并将其存入指令寄存器IR中，这时候轮到指令译码器上场了，它根据指令格式指令寄存器中的指令，先确定操作码是什么，再检查操作数类型，若在内存中，就将相应操作数从内存中取回放入自己的存储单元，若操作数是在寄存器中就直接用了，免了取操作数的过程。操作码有了，操作数有了，操作控制器给运算单元下令，开始执行指令。ip寄存器被加上当前指令的大小，于是ip又指向了下一条指令的地址。

通用寄存器介绍

寄存器	助记名称	功能描述
ax	累加器accumulator	使用频度最高，常用于算术运算、逻辑运算、保存与外设输入输出数据
bx	基址寄存器base	常用于存储内存地址，用此地址作为基址，用来遍历一片内存区域
cx	计数器 counter	用于计数，所以常用于循环指令中的循环次数
dx	数据寄存器 data	可用于存放数据，通常用于保存外设控制器的端口号地址
si	源变址寄存器source index	常用于字符串操作中的数据源地址，即被传送的数据在哪里。通常需要与其他指令配合使用，如批量数据传送指令族 mov[bwd]
di	目的变址寄存器 destination index	和si一样，常用于字符串操作。但di是用于数据的目的地址，即数据被传送到哪里
sp	栈指针寄存器stack pointer	其段基址是SS用于指向栈顶。随着栈中数据的进出，push与pop这两个对栈操作的指令会修改sp的值
bp	基址指针寄存器base point	访问栈的两种方式，一种是用push和pop指令操作栈，sp指针的值会自动更新，但我们只能获取栈顶sp指向的数据。很多时候，我们需要读写在栈底与栈顶之间的数据，处理器为了让开发人员方便控制栈中的数据，还提供了把栈当成数据段来访问的方式，即提供寄存器bp，所以bp默认的段寄存器是SS，可通过SS：bp的方式把栈中的数据当成普通的数据段来访问

实模式下CPU内存寻址方式

从大方向上看，寻址方式可分为三类：

• 寄存器寻址
• 立即数寻址
• 内存寻址
  内存寻址又分为：
• 直接寻址
• 基址寻址
• 变址寻址
• 基址变址寻址

寻址说明：

• 寄存器寻址
  “数”在寄存器中，直接从寄存器中获取数据。下面三条指令都是寄存器，其中前两条，因为源操作数是立即数，所以也是立即数寻址。

mov ax, 0x10
mov dx, 0x9
mul dx

• 立即数寻址
  立即数就是常数。指令有操作码与操作数组成，如果立即数存在与指令中，凸显了立即就可用，为立即数寻址

mov ax,0x18    //立即数寻址
mov ds,ax      //寄存器寻址

• 内存寻址
  操作数在内存中的寻址方式成为内存寻址。
  • 直接寻址
    就是直接在操作数中给出的数字作为内存地址，通过中括号的形式告诉CPU，取此地址作为操作数。

mov ax, [0x1234]
mov ax, [fs:0x5678]

• 基址寻址
  操作数中使用bx寄存器或bp寄存器作为地址的起始，地址的变化以它为基础。用寄存器作为内存寻址。

mov [bx], 0x1234 //内存基址寻址，立即数寻址

• 变址寻址
  变址寻址起始和基址寻址类似，只是寄存器由bx，bp换成了si和di。si是指源索引寄存器（source index），di是指目的索引寄存器（destination index）。两个寄存器的默认段寄存器也是ds。

mov [di], ax        //将寄存器ax的值放入ds：di指向的内存 基于ds基址加上di变址指向的内存
mov [si+0x1234], ax    //变址中还可以加上个偏移量

变址寻址主要用于字符搬运方面的指令，这两个寄存器在很多指令中都要成对使用，如movsb，movsw，movsd

• 基址变址寻址
  即基址寄存器bx或bp加一个变址寄存器si或di。

mov [bx + di], ax
mov [bx + si], ax

实模式下的ret

凡是调用call指令，会把返回地址压入栈中。然而保存的这个地址并不会给call指令使用，call指令不会自动回来。返回地址是给ret，retf使用的。

• ret : 在栈顶弹出2字节的内容来替换IP寄存器，ret指令不管里面的内容如何，只负责弹出栈顶的内容并为IP寄存器赋值。
• retf: 从栈顶弹出4字节的内容，栈顶处的2字节来替换IP寄存器，另外的2字节来替换CS寄存器。

实模式下的Call

• 16位实模式的相对近调用
  “近”是指同一段内，段基址不会变，给出段内偏移地址就可以了。
  “相对”是指在同一个代码段中，只要给出目标函数的相对地址即可。
  指令格式：call near 立即数地址

call near near_proc   //相对近调用
jmp $
addr add 4
near_proc:
  mov ax, 0x1234
  ret

• 16位实模式间接绝对近调用
  “间接”是指目标函数地址没有直接给出来。
  “绝对”是指目标函数的地址是绝对地址
  格式：

call 寄存器寻址
call 内存寻址

mov ax, near_proc
call ax
jmp $
addr dd 4
near_proc:
  mov ax, 0x1234
  ret

• 16位实模式直接绝对远调用
  “直接”是指操作数直接在指令中给出，是立即数。不需要经过寄存器或内存。
  “远”是指跨段，目标函数与当前指令不在一个段中。
  格式：
  call far 段基址（立即数）：段内偏移地址（立即数）
  如：

section call_test vstart=0x900
call 0: far_proc
jmp $
far_proc:
  mov ax, 0x1234
  retf

• 16位实模式间接绝对远调用
  “间接”，值目标地址不是立即数，而是在内存或寄存器中。
  格式
  call far 内存寻址

section call_test vstart=0x900
call far [addr]
jmp $
addr dw far_proc, 0
far_proc:
    mov ax, 0x1234
    retf

实模式下的jmp

无条件跳转，jmp通过改变段寄存器CS与IP的值来实现程序跳转的。

• 16位实模式相对短转移
  “相对”，意味着操作数是个相对的增量。跳转后的地址是目标地址减去当前地址，所得的差再减去jmp指令的2字节，最终的结果就是操作数。操作数的返回在-128-127
  “短转移”，意味着只在段内转移，不需要跨段，所以只需要给出偏移地址就够了。
  格式：
  jmp short 立即数地址

section call_test vstart=0x900
jmp short start
times 127 db 0
start:
    mov ax, 0x1234
    jmp $

• 16位实模式相对近转移
  相对近转移与相对短转移相比，操作数的范围由8位宽度变为了16位宽度，操作数依然是相对增量。操作数范围是-32768-32767
  格式
  jmp near 立即数地址

section call_test vstart=0x900
jmp short start
times 128 db 0
start:
    mov ax, 0x1234
    jmp $

• 16位实模式间接绝对近转移
  格式：

jmp near 寄存器寻址 
jmp near 内存寻址

section call_test vstart=0x900
mov ax, start
jmp near ax
times 128 db 0
start:
    mov ax, 0x1234
    jmp $

• 16位实模式直接绝对远转移
  格式：

jmp 段基址：段偏移地址

section call_test vstart=0x900
jmp 0: start
times 128 db 0
start:
    mov ax, 0x1234
    jmp $

• 16位实模式间接绝对远转移
  需要在内存中取四个字节，前两个字节是段内偏移地址，后两个字节是段基址。
  格式：

jmp far 内存寻址

section call_test vstart=0x900
jmp far [addr]
times 128 db 0
addr dw start, 0
start:
    mov ax, 0x1234
    jmp $

Eflag寄存器标志位

Eflag标志位.png

• CF Carray Flag:,CF为1，表示进位或借位
• PF Parity Flag：奇偶位，用来标记低八位中1的个数
• AF Auxiliary carry Flag：辅助进位标志，用来记录运算结果低四位的进借位情况。
• ZF Zero Flag：零标志位。若计算结果位0，此标志为1
• SF Sign Flag：符号标志位。运算结果为负，则SF位为1
• TF Trap Flag：陷阱标志位。TF为1，CPU进入单步运行模式。debug单步调试时，原理是让TF置一
• IF Interrupt Flag：中断标志位。IF为1，表示中断开启，CPU可以响应外部可屏蔽中断。
• DF Direction Flag：方向标志位。用于字符串操作指令中，当DF为1时，指令中的操作数地址会自动减少一个单位，当DF为0时，指令中的操作数地址会自动增加一个单位。其中提到的这个单位的大小，取决于用什么指令。
• OF Overflow Flag：溢出标志位。表示计算结果是否超过了数据类型可表示的大小。
• IOPL Input Output Privilege Level：用于特权级概念的CPU。占用两位表示4中特权级
• NT Nest Task：任务嵌套标志。8088支持多任务，一个任务就是一个进程。一个任务中又嵌套调用了另一个任务时，此NT为1
• RF Resume Flag：恢复标志位。该标志位用于程序调试，指示是否接受调试故障，它需要和调试寄存器一起使用
• VM Virtual 8086 Model：虚拟8086模式，这是实模式向保护模式过渡时的产物。此位为1，可以在保护模式下运行实模式的程序。在保护模式下运行实模式程序，都要为其虚拟一个实模式环境，故称为虚拟模式。
• AC Alignment Check：对齐检查。程序中的数据或指令其内存地址是否是偶数，是否是16，32的整数倍，没有余数。
• VIF Virtual Interrupt Flag：虚拟中断标志位，虚拟模式下的中断标志。
• VIP Virtual Interrupt Pending：虚拟中断挂起标志位。在多任务的情况下，为操作系统提供虚拟中断挂起信息。
• ID Identification：识别标志位。系统经常需要判断CPU型号，若ID为1，表示支持CPU id 指令
• ``

CPU如何与外设通信--IO接口

IO接口的功能：

1. 设置数据缓冲，解决CPU与外设的速度不匹配。
2. 设置信号电平转换电路。CPU是TTL电平，而外设大部分是机电设备。
3. 设置数据格式转换。外设输出的信息可能是数字信息，模拟信号，而CPU只能处理数字信号
4. 设置时序控制电路来同步CPU和外部设备。
5. 提供地址译码

• 同一时间，CPU只能与一个IO接口通信，仲裁IO接口的竞争，连接各种内部总线，这就是输入输出控制中心（I/O control iub ICH），也就是南桥芯片。

• 南桥芯片一般用来来见pci，pci-express，AGP等低速设备，北桥用于连接高速设备如内存

  
  
  

IA32体系的in， out指令

• in: 从端口中读取数据.

  • in al, dx
  • in ax, dx
    其中al，ax用与存储由端口获取的数据，可变。dx代表端口号

• out: 向端口写入数据

  • out dx, ax
  • out dx al
  • out 立即数, al
  • out 立即数, ax
    out指令的目的操作数是端口号。