漫谈IA32的系统管理模式（SMM）以及IA32的四种CPU模式

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写在前面
 
这是我的BIOS启蒙文章第二篇了，上一篇我谈了谈什么是legacy USB，和大家聊了聊在USB键盘背后的那些不为人知的故事。大家可以去（http://blog.csdn.net/prostar/archive/2009/04/17/4088521.aspx）这里来看看这个文章。现在是第二篇了。今天我打算给大家讲讲什么是Ia32架构具备的系统管理模式（SMM），这是CPU四种运行模式中的一种，而且是最为神秘的运行模式。前段时间，IA32架构闹了个所谓的大BUG（其实不是BUG），就是和这个模式有关。
 
大家都知道Intel的IA32 CPU的实模式与保护模式了吧。实模式是最简单的运行模式，在这个模式下CPU运行在分段下，并且只能访问1MB的内存。而保护模式下，CPU既支持分页也支持分段。可访问的内存也增大到4GB。这个模式是主要的工作模式。
 
实模式和保护模式由于用的最多，我们大家也最熟悉，但是其实IA32 CPU还有另外两个很少为人所知的运行模式：系统管理模式（以下简称SMM）以及V86模式。本文主要探讨SMM，对V86的讨论我们放在以后吧。V86模式主要是帮助操作系统在保护模式下继续支持16位的实模式软件。
 
SMM ： 概述
 
SMM是Intel在386SL之后引入x86体系结构的一种CPU的执行模式。系统管理模式只能通过系统管理中断（System Management Interrupt, SMI）进入，并只能通过执行RSM指令退出。SMM模式对操作系统透明，换句话说，操作系统根本不知道系统何时进入SMM模式，也无法感知SMM模式曾经执行过。为了实现SMM，Intel在其CPU上新增了一个引脚SMI# Pin，当这个引脚上为高电平的时候，CPU会进入该模式。在SMM模式下一切被都屏蔽，包括所有的中断。SMM模式下的执行的程序被称作SMM处理程序，所有的SMM处理程序只能在称作系统管理内存（System Management RAM,SMRAM）的空间内运行。可以通过设置SMBASE的寄存器来设置SMRAM的空间。SMM处理程序只能由系统固件实现（即Firmware，X86应该是BIOS）。
 
SMM ： 执行环境
 
SMM的执行环境与实模式与保护模式都不同。SMM模式下系统没有分页与分段支持。系统完全执行在自然环境下。换言之，CPU可以寻址4GB的空间，没有逻辑地址与物理地址的区别。或者说，所有的地址都是物理地址。SMM下可以执行一切特权指令。并且一切内存保护均失效。
 
SMM ： 如何进入？
 
进入SMM的唯一方法就是通过SMI，也即是系统管理中断（System Management Interrupt）。而触发SMI的唯一方法是将前述的SMI Pin引脚上加一个物理电平。而这个电平是由系统chipset根据不同的物理执行环境（如某些事件到来，某些设备需要特别服务）加到CPU上去的。
 
SMM ：如何退出？
 
退出SMM的方法也只是一个。那就是执行RSM指令。CPU见到这个指令，就退出SMM。并自动的将CPU设置成进入SMM之前的执行模式。
 
SMM ： 完全透明
 
SMM的进入与退出对非SMM软件（如操作系统）而言，是完全透明的。操作系统根本不知道什么时候系统会进入SMM，什么时候会退出。对于操作系统而言，SMM从来没有存在过。从某种意义上说，SMM是对系统进行监控的终极方法。那么透明是如何做到的呢？
 
SMM会在进入之前，由CPU自己主动的将当前的全部寄存器以及其他的任何需要保存的信息（公开的和不公开的全部保存）保存在之前提及的SMRAM的某个地方。然后直接跳转到SMRAM内的某一个入口地址开始执行。而退出的时候，CPU会恢复所有事先保存的信息。然后返回中断的地方继续执行程序。故而被中断的程序根本无法感知。并且SMM中断是如此的霸道，就连正在进行中的I/O操作，如果有SMI到来，那么CPU也必须暂停I/O，转发进入SMM。于是SMM内提供了一个手段，用于探测是否处于一个I/O Trap状态。
 
SMM ： 幽灵搬移
 
SMM程序可以重新定位SMRAM。换言之，也许每次进入SMM的执行的入口地址都会不一样。这使得跟踪SMM的执行变得异常困难。于是一些被折磨的难受的程序员就给SMM的这个feature起了个有趣的名字：幽灵搬移。
 
SMM ： 固件ONLY
 
SMM如此强大，可以说是IA32架构内的真正的无上霸主。如果这个特性被恶意代码利用，那么后果将不可想象。微软为了自己的利益，一直反对Intel在自己的CPU内放这么一个玩意。于是Intel规定SMM程序只能由系统固件使用。系统内有个SMM Lock Register，一旦设置成锁定状态，那么任何程序都不可能将自己设置成SMM处理程序了。固件会在每次启动操作系统之前，锁死SMM。