Intel微处理器学习笔记（二） 三种模式

　　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。

　　

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。

　　

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：

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）。