深入分析Linux内核源代码-Linux 运行的硬件基础（上）

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————零声学院

我们知道，操作系统是一组软件的集合。但它和一般软件不同，因为它是充分挖掘硬件
潜能的软件，也可以说，操作系统是横跨软件和硬件的桥梁。因此，要想深入解析操作系统
内在的运作机制，就必须搞清楚相关的硬件机制。

操作系统的设计者必须在硬件相关的代码与硬件无关的代码之间划出清楚的界限，以便
将一个操作系统很容易地移植到不同的平台。Linux 的设计就做到了这点，它把与硬件相关
的代码全部放在 arch（architecture 一词的缩写，即体系结构相关）目录下，在这个目录下，
你可以找到 Linux 目前版本支持的所有平台，例如，Linux 2.4 支持的平台有 arm、alpha,、
i386、m68k、mips 等十多种。在这众多的平台中，大家熟悉的就是 i386，即 Inte l80386。
因此，我们所介绍的硬件基础也是以此为背景的。

在 X86 系列中，8086 和 8088 是 16 位的处理器，而从 80386 开始为 32 位处理器。这种
变化看起来是处理器位数的变化，但实质上是处理器体系结构的变化，从寻址方式上说，就
是从“实模式”到“保护模式”的变化。从 80386 以后，Intel 的 CPU 经历了 80486、Pentium、
Pentium II、Pentium III 等型号，虽然它们在速度上提高了好几个数量级，功能上也有不
少改进，但基本上属于同一种系统结构的改进与加强，而无本质的变化。因此，我们用 i386
统指这些型号。

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，又要支持 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
780386 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 位机保持兼容，
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 4 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，
如图所示。

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，如图 2.2 所示。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（参看第四章）。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 80386 CPU 是在虚拟 8086 环境中运行。如果 80386 CPU 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 8086 CPU
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。

2．控制寄存器
状态和控制寄存器组除了 EFLAGS、EIP，还有 4 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，如图所示。

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，下一节就会讲到。PG 位和 PE 位定义的操作方式如
图所示。
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 4KB 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 3 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，如图 2.5 所示，它保存操作系统要保护的信息和地址转
换表信息。

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 位 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 位 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。DR4、DR5
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路缓冲器
（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。

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