第11章 32位x86处理器编程架构

第11章 32位x86处理器编程架构

IA-32(INTEL Architecture, 32-bit)：INTEL 32位处理器架构简称IA-3，以8086处理器为基础发展起来的。该章重点介绍了IA-32处理器的工作方式和相关技术。

IA-32架构的基本执行环境

寄存器的扩展

32位处理器通用寄存器：包含EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESP，它们的在原先16位处理器的AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP上扩展而来，结构如下图：

EFLAGS：标志寄存器FLAGS也从16位扩展到了32位。

访存方式：32位处理器为了兼容16位处理器，保留了分段模型；但是提供一种变通方案平坦模型（Flat Mode），即段基地址为：0x00000000，段长度为4GB的分段方式。

32位工作模式：32位处理器有自己的32位工作模式，书籍内称呼这种32位模式为32位保护模式（Protected Mode）。与之对应的16位工作模式称为实模式（Real Mode）。

• 实模式：程序可以自由地访问不属于它的内存位置，不安全。
• 保护模式：处理器要求在加载程序时，先定义该程序所拥有的段，然后才允许使用这些段，还附加了段界限、特权级别、类型等属性。

段选择器：32位模式下，CS、SS、DS、ES，保存的不再是16位逻辑段地址，而是段的选择子，用于选择所要访问的段，因此，这一部分也叫作段选择器。

32位处理器增加了两个额外的段寄存器FS和GS，这两个寄存器到底有什么作用？书中后面也没有提到，于是我去查了下资料，只能大概了解其意思。

• FS（Flag Segment）：标志段寄存器，指向当前活动线程的TEB结构。
• GS（Global Segment）：全局段寄存器，可能被用作全局段的基址寄存器。

麻省理工的手册上，DS、ES、FS、GS都是标记为Data Segment，没有具体的区分。使用上各操作系统也有不同，具体可以参考底部的一些链接。

基本的工作模式

实模式（Real Mode）：实质上就是8086模式，16位模式。

保护模式（Protected Mode）：IA-32处理器的32位模式。

一些发展历史整理成表格看的更清楚一些：

线性地址和分页

逻辑地址：段地址和偏移地址称为逻辑地址，偏移地址叫作有效地址(Effective Address, EA)，在指令中给出有效地址的方式叫作寻址方式(Addressing Mode)。比如：

inc word [bx+si+0x06]

段的管理是由处理器的段部件负责进行的。段部件将段地址和偏移地址相加，得到访问内存的地址。一般来说，段部件产生的地址就是物理地址。

多任务：IA-32处理器支持多任务，多任务在分配内存时会产生内存碎片的问题。

分页：IA-32处理器支持分页功能，分页功能将物理内存空间划分成逻辑上的页。页的大小一般为4KB，通过使用页，可以简化内存管理。

线性地址：当页功能开启时，段部件产生的地址就不再是物理地址了，而是线性地址(Linear Address)，线性地址还要经页部件转换后，才是物理地址。

现代处理器的结构和特点

流水线

流水线（Pipe-Line）技术：把一条指令的执行过程分解成若干个细小的步骤，并分配给相应的单元来完成，各个单元的执行是独立的、并行的。

一条指令的执行过程分为取指令、译码和执行三个步骤：

高速缓存

为什么要高速缓存：处理器速度快，内存和硬盘相对较慢，处理器要等待内存和硬盘，便无法全速运行。

• CPU内寄存器纳秒（ns）级别；
• 内存一般是动态存储器（DRAM），几十纳秒级别；
• 硬盘，通常是毫秒级（ms）。

高速缓存(Cache)：处理器与内存(DRAM)之间的一个静态存储器（SRAM），容量较小，但速度可以与处理器匹配。

缓存涉及到命中的问题：如果要访问的内容已经在高速缓存中，这称为命中(Hit)；否则，称为不中(miss)。缓存不中，处理器需要重新装载高速缓存，该过程中所损失的时间称为不中惩罚(miss penalty)。

乱序执行

微操作(micro-operations)：为了实现流水线技术，需要将指令拆分成更小的可独立执行部分。

一个微操作：有些指令非常简单，因此只需要一个微操作。

add eax,ebx

两个微操作：

add eax,[mem] ;拆分成两个微操作：
              ;  1.一个用于从内存中读取数据并保存到临时寄存器；
              ;  2.另一个用于将EAX寄存器和临时寄存器中的数值相加。

三个微操作：

add [mem],eax ;拆分成三个微操作：
              ;  1.一个从内存中读数据；
              ;  2.一个执行相加的动作；
              ;  3.一个用于将相加的结果写回到内存中。

乱序执行(Out-Of-Order Execution)：一旦将指令拆分成微操作，处理器就可以在必要的时候乱序执行程序。

感觉乱序执行有点像并行，不相关的两个程序是可以并发执行的，从而提交效率。

寄存器重命名

寄存器重命名：在处理器内部，却有大量的临时寄存器可用，处理器可以重命名这些寄存器以代表一个逻辑寄存器，比如EAX。

寄存器重命名作用：为了提高指令的乱序执行，用临时寄存器代替原寄存器进行运算，等乱序执行完成后，再用临时寄存器内容替换原寄存器的内容，这个过程也叫做引退(Retirement)。

分支目标预测

清空（Flush）流水线：如果遇到一条转移指令，则后面那些已经进入流水线的指令就都无效了，就是要清空流水线。

流水线的问题：代码中经常存在分支，用哪个分支的代码填充流水线呢？用错误的分支填充流水线时，浪费的时间就越多。随着复杂架构下的流水线变得越来越长，程序分支带来的问题开始变得很大。让处理器的设计者不能接受，毕竟不中处罚的代价越来越高。

分支预测技术(Branch Prediction)：分支预测的核心问题是，转移会发生还是不会发生。转移预测虽然很困难，但是可以通过统计学的方式分析概率。

比如下面这个例子：

    xor si,si    ;si清0
lops:
    ...
    cmp si,20    ;si和20比较
    jnz lops     ;si<20，不为0，继续循环

jnz指令第一次执行时，转移一定会发生，处理器可以预测。

分支目标缓存器(Branch Target Buffer, BTB)：在处理器内部，有一个小容量的高速缓存器。处理器执行了一条分支语句后，它会在BTB中记录当前指令的地址、分支目标的地址，以及本次分支预测的结果。

32位处理器的寻址方式

16位处理器的内存寻址：允许使用基址寄存器BX或者BP，同变址寄存器SI或者DI结合，再加上8位或者16位的位移来寻址内存操作数。

例如：

mov ax,[bx]
mov ax,[bx+di]
mov al,[bx+si+0x02]

32位处理器的内存寻址：全部的32位通用寄存器作为基址寄存器 + 除ESP外的32位通用寄存器作为变址寄存器 * 1、2、4、8比例因子 + 位或者32位的位移。

例如：

add eax,[0x2008]         ; 有效地址是32位的(0x00002008)
sub eax,[eax+0x08]       ; 有效地址是32位的
mov ecx,[eax+ebx*8+0x02] ; 有效地址是32位的

参考资料

• 80386 Programmer’s Reference Manual – Section 1.1
• Operating Modes of 80386 Microprocessors - GeeksforGeeks
• 2.3 寄存器 | Intel 80386 程序员参考手册
• assembly - “FS”/“GS”寄存器的用途是什么？_Stack Overflow中文网
• 寄存器由来 ES CS SS DS FS GS区别_gs寄存器-CSDN博客
• The Intel 80386, part 11: The TEB - The Old New Thing
• 计算机体系结构-寄存器重命名 - 知乎