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1、第一章INTEL 体系结构概述 Intel 的32位处理器提供了很多对操作系统的支持，这些支持已经集成到了处理器的系统级体系结构中。这些支持能够对下述工作提供帮助： Memory management Protection of software modules Multitasking Exception and interrupt handling Multiprocessing Cache management Hardware resource and power management Debugging and performance monitoring 当然，只有系统程序员才用这
2、些系统级体系结构的特性。 11 特权级 Intel系统级体系结构提供了四个特权级，编号从0到3，其中0级是最高特权级，3级是最低特权级。将特权级的概念引入系统体系结构是为了实现保护。所谓386保护模式既是在此概念基础上建立起来的。系统中每个段（代码段、数据段、堆栈段等）都有自己的特权级，系统中每个程序或任务也都有自己特权级。特权级低的任务不能调用特权级高的任务，也不能存取特权级高的数据段。下图展示了特权级及其保护环： 图1.1 Protection Rings 环的中心（0级）保留给最高特权的代码、数据和堆栈，通常由操作系统的内核使用；外层环（3级）用于特权级要求不高软件，通常的应用程序运行在
3、第3级。应用程序无法直接访问OS的代码和数据，从而保证了OS的安全。 经常用的有下面几个特权级： DPL（Descriptor Privilege Level），CPL（Current Privilege Level）， RPL（Requestor Privilege Level），EPL（Effective Privilege Level）， IOPL（I/O Privilege Level）。 12 操作模式 Intel体系结构支持三种操作模式和一种准操作模式： 1. 保护模式：这是处理器的一种最自然的操作模式。在这种模式下，处理器的所有指令以及体系结构的所有特色都是可用的，并且能够达到最
4、高的性能。 2. 实模式：这种模式提供了Intel 8086的编程环境，并有一些扩展。 3. 系统管理模式：这是一种特殊的操作模式，它仅提供给系统固件使用，应用软件和操作系统都不用该模式。进入系统管理模式的唯一途径是系统管理中断（SMI）。当进入该模式时，首先保存处理器的当前状态，然后切换到一个完全分离的操作环境中，执行SMI处理程序代码，完成诸如：关掉不再使用的硬盘驱动器电源、关掉显示器、挂起整个系统、执行私有代码等工作。SMI处理程序执行完后，再恢复处理器状态，切换回保护模式或实模式。整个处理过程对应用程序和操作系统都是透明的，是在一个完全独立的环境中完成的。 4. 虚拟8086模式：这是
5、一个准操作模式，它允许处理器在保护模式、多任务环境下执行8086软件。 各模式之间的转换关系如下： 图 1.2. Transitions Among the Processors Operating Modes 处理器加电或Reset重启后，首先进入实模式。操作系统初始化部分负责从实模式到保护模式的切换。实模式和保护模式之间的切换由控制寄存器CR0的PE位控制；保护模式和虚拟8086模式之间的切换由EFLAGS寄存器的VM位控制；通过SMI中断进入系统管理模式，在系统管理模式下执行指令RSM再切换回原来的（进入系统管理模式前的操作模式）操作模式。 以下只讨论保护模式。 13 系统级体系结构 I
6、NTEL的系统级体系结构由一组寄存器、数据结构和专门为支持基本的系统级操作而设计的指令组成。 下图描述了该体系结构中系统级的寄存器和数据结构： 图 1.3. System-Level Registers and Data Structures 1 4 段描述符 段是最基本的保护单位。Intel系列的处理器通过段（Segment）管理内存，它把内存划分成一个一个的段。8086处理器采用定长段，每个段的长度都是64K，因此只要给出段的基址就可确定一个段（基址在CS、DS、SS、ES等段寄存器中）。在386保护模式下，段长是可变的，而且段是受保护的对象，所以要描述一个段不但需要段的基址，还需要段长和
7、各种保护信息。因此在386保护模式下，采用段描述符来描述段。段描述符是一个大小为8个字节的数据结构，其一般格式如下： 图1.4. Segment Descriptor 段描述符中包含如下域： 基地址（Base address）：由描述符的第2、3、4、7四个字节组合而成，它定义了该段在线性地址空间中的开始地址，可以是0到4G之间的任一位置，但最好是16字节对齐，这样可以提高系统的性能。 段界限（Segment limit）：段界限定义了段的大小。段界限由描述符中的第0、1字节和6字节的低4位（共20位）构成，它和第6字节的粒度位（G位）一起确定段的大小。G为0，说明段以字节为单位，最大段长为1
8、M；G为1，说明段以页（4K）为单位，最大段长为4G。 粒度标志（granularity）：第6字节的第7位（G位），表示段描述符所描述的段的长度的单位。G=0：单位为字节，G=1：单位为页（4096字节）。 存在标志（segment-present flag）：即第5字节的第7位（P位），表示段描述符所描述的段是否在物理内存中。1-在；0-不在。 特权级（DPL）：由第5字节的5、6两位组成，用来确定段的特权级（0-3），从而控制对段的存取。 系统标志（S）：即第5字节的第4位（S位），用于标记该描述符所描述的段是系统段（S=0）还是用户段（S=1）。系统段和用户段间有很大区别。系统段用来描
9、述局部描述符表（LDT）、任务状态段（TSS）、调用门、中断门、陷阱门和任务门；用户段用来描述用户程序的代码段、数据段和堆栈段。 类型（Type）：在系统段和用户段中类型的意义不同。 1) 在系统段中，类型由第5字节的0到3位组成，表示16个系统段的类型，如2：LDT、5：任务门、9：有效TSS、B：TSS忙、C：调用门、E：中断门、F：陷阱门等。 2) 在用户段中，类型由第5字节的1到3位组成： a) 其中第3位（E位）为0表示数据段。此时，第2位表示地址扩展的方向（ED=0：向大方向，ED=1：向小方向）。第1位表示数据段是否可写（W=0：不能写，W=1：可写）。 b) 第3位（E位）为1
10、表示代码段。此时，第2位是一致位（C位）。假设执行从低特权级段转到高特权级段，如果高特权级段的C位为1，则执行可以继续，否则，将产生段保护异常。从低特权级段到高特权级非一致（nonconforming）代码段的转移要切换栈，而到一致（conforming）代码段的转移则不用切换栈。第1位是可读位（R位），表示代码段是否可读（R=1：可读，R=0：不可读）。 c) 第0位（A位）是已存取位。A=0：段尚未被存取，A=1：段已被使用。无论何时，只要处理器存取了一个用户段，它的A位就被置1。 D/B标志：第6字节的第6位，对不同的用户段其意义也不同： 1) 可执行代码段：叫D标志，表示在缺省情况下，
11、该段中的指令所引用的有效地址和操作数的长度。D=1：32位，D=0：16位； 2) 栈段：叫B标志，表示栈操作所使用的栈指针的大小。B=1：32位，B=0：16位。 3) 向下扩展数据段：叫B标志，表示段的上界。B=1：4G，B=0：64K。 可用位和保留位：第6字节的4、5位，保留给操作系统使用。 段的分类如下表所示： 段 用户段 代码段 存放可执行代码 数据段 存放数据或堆栈 系统段 TSS段 任务状态信息 LDT段 描述一个局部段描述符表的信息 门 调用门 任务门 中断门 陷阱门 用户段描述符的格式如上所述，它可作为代码段、数据段和堆栈段。当对其中任一数据或代码进行存取时，处理器都要做特
12、权级检查、段界限检查和读写标志的检查，所有未通过检查的存取都会引起保护异常。 根据其目的的不同，对各系统段的描述也有所区别。系统段描述符的格式在上述基本段描述符的基础上各有变化，当访问它们所描述的对象时，处理器所做的保护性检查也不完全相同。以下将分别讨论各个系统段。 1 5 全局和局部段描述符表（GDT、LDT） 操作系统中会用到许多段，每个段都有描述符，因此系统中会有许多描述符。为了管理和查找的方便，Intel体系结构要求将这些描述符组织在描述符表中。 段描述符表是一个段描述符数组，其长度可变，可变范围在0到8192之间，即一个段描述符表中最多可有8192个段描述符（8字节数据结构，64K大
13、小）。 每一个系统中都必须定义一个全局描述符表（GDT）。系统中的所有程序和任务都可以使用GDT描述符表，因此GDT中包含着系统中所有任务都可用的那些描述符，即公用的描述符。但也不是所有类型的描述符都可以出现在GDT中。实际上，可以出现在GDT中的描述符有：代码段、数据段、TSS、LDT和调用门、任务门描述符，中断门、陷阱门不能出现在GDT中。GDT中的第一个描述符保留不用（全为0）。 GDT本身不是一个段，而是线性地址空间的一个数据结构。GDT不需要段描述符来描述它。Intel体系结构专门定义了一个寄存器（GDTR）来存放GDT的信息。在进入保护模式以前，GDT的基址和界限必须被装入GDTR
14、寄存器中。通过GDTR可以找到GDT，通过GDT可以访问到它管理的各个段。 LGDT指令用于将信息装入GDTR，SGDT指令用于将GDTR中的内容存入内存。 相对于GDT，局部描述符表（LDT）是一个段，它其中存放的是局部的、不需要全局共享的段描述符。例如，可以为每个正在运行的任务定义一个LDT，其中包含仅能被该任务使用的段描述符，如任务的代码段、数据段、堆栈段以及一些门描述符等，当然，多个任务也可以共用一个LDT，从而实现数据的共享。因此系统中可以定义多个局部描述符表（LDT）。 LDT的格式与GDT一样，其中可以出现的描述符也与GDT相同。 因为LDT是一个系统段，所以必须用一个描述符来定
15、义它。定义LDT的描述符叫LDT描述符。对系统中的每一个LDT，在GDT中都必须有一个描述它的LDT段描述符。 LDT描述符的格式与一般的段描述符的格式相同。其基地址域说明LDT在线性地址空间的开始位置；其界限域说明LDT的大小；其粒度域（G）说明段界限的单位；其系统标志（S）域为0，表示为系统段；类型域（Type）为2，表示为LDT段；DPL域无用；P域表示该LDT是否在内存中。 LDT描述符可以出现在GDT的任意位置。 对LDT所描述的各段的访问要经过GDT到LDT再到段，为了加快访问速度，Intel提供了另外一个寄存器LDTR，专门用来保存当前任务的LDT信息（基址、界限、属性等），任务的LDT信息保存在任务的状态段（TSS）中。 LLDT指令用于将信息装入LDTR，SLDT指令用于将LDTR中的内容存入内存。 1 6 段选择符（Segment Selectors） 因为要经常使用段描述符，因此需要一种标识它的简单的方法，这就是段选择符。段选择符是表示一个段的16位标识符。下图给出了段选择符的结构： 图 1.5. Segment Selector 段选择符由下面几项组成： Index：从3到15 共13位，表示范围为0到8192，是描述符在GDT或LDT中的索引。处
