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32位x86处理器架构

本节重点讲解了 32 位 x86 处理器的基本架构特点。这些处理器包括了 Intel IA-32 系列中的成员和所有 32 位 AMD 处理器。

操作模式

x86 处理器有三个主要的操作模式:保护模式、实地址模式和系统管理模式;以及一个子模式:虚拟 8086 (virtual-8086) 模式,这是保护模式的特殊情况。以下是对这些模式的简介:

1) 保护模式 (Protected Mode)

保护模式是处理器的原生状态,在这种模式下,所有的指令和特性都是可用的。分配给程序的独立内存区域被称为段,而处理器会阻止程序使用自身段范围之外的内存。

2) 虚拟 8086 模式 (Virtual-8086 Mode)

保护模式下,处理器可以在一个安全环境中,直接执行实地址模式软件,如 MS-DOS 程序。换句话说,如果一个程序崩溃了或是试图向系统内存区域写数据,都不会影响到同一时间内执行的其他程序。现代操作系统可以同时执行多个独立的虚拟 8086 会话。

3) 实地址模式 (Real-Address Mode)

实地址模式实现的是早期 Intel 处理器的编程环境,但是增加了一些其他的特性,如切换到其他模式的功能。当程序需要直接访问系统内存和硬件设备时,这种模式就很有用。

4) 系统管理模式 (System Management Mode)

系统管理模式 (SMM) 向操作系统提供了实现诸如电源管理和系统安全等功能的机制。这些功能通常是由计算机制造商实现的,他们为了一个特定的系统设置而定制处理器。

基本执行环境

1) 地址空间

在 32 位保护模式下,一个任务或程序最大可以寻址 4GB 的线性地址空间。从 P6 处理器开始,一种被称为扩展物理寻址 (extended physical addressing) 的技术使得可以被寻址的物理内存空间增加到 64GB。

与之相反,实地址模式程序只能寻址 1MB 空间。如果处理器在保护模式下运行多个虚拟 8086 程序,则每个程序只能拥有自己的 1MB 内存空间。

2) 基本程序执行寄存器

寄存器是直接位于 CPU 内的高速存储位置,其设计访问速度远高于传统存储器。例如,当一个循环处理为了速度进行优化时,其循环计数会保留在寄存器中而不是变量中。

下图展示的是基本程序执行寄存器(basic program execution registers)。8 个通用寄存器,6 个段寄存器,一个处理器状态标志寄存器(EFLAGS),和一 个指令指针寄存器(EIP)。

基本程序执行寄存器

通用寄存器

通用寄存器主要用于算术运算和数据传输。如下图所示,EAX 寄存器的低 16 位在使用时可以用 AX 表示。

通用寄存器

一些寄存器的组成部分可以处理 8 位的值。例如,AX 寄存器的高 8 位被称为 AH,而低 8 位被称为 AL。同样的重叠关系也存在于 EAX、EBX、ECX 和 EDX 寄存器中:

32 位 16 位 8 位(高) 8 位(低)
EAX AX AH AL
EBX BX BH BL
ECX CX CH CL
EDX DX DH DL

其他通用寄存器只能用 32 位或 16 位名称来访问,如下表所示:

32 位 16 位 32 位 16 位
ESI SI EBP BP
EDI DI ESP SP

特殊用法

某些通用寄存器有特殊用法:
  • 乘除指令默认使用EAX。它常常被称为扩展累加器(extended accumulator)寄存器。
  • CPU 默认使用 ECX 为循环计数器。
  • ESP 用于寻址堆栈(一种系统内存结构)数据。它极少用于一般算术运算和数据传输,通常被称为扩展堆栈指针(extended stack pointer)寄存器。
  • ESI 和 EDI 用于高速存储器传输指令,有时也被称为扩展源变址(extended source index)寄存器和扩展目的变址(extended destination index)寄存器。
  • 高级语言通过 EBP 来引用堆栈中的函数参数和局部变量。除了高级编程,它不用于一般算术运算和数据传输。它常常被称为扩展帧指针(extended frame pointer)寄存器。

段寄存器

实地址模式中,16 位段寄存器表示的是预先分配的内存区域的基址,这个内存区域称为段。保护模式中,段寄存器中存放的是段描述符表指针。一些段中存放程序指令(代码),其他段存放变量(数据),还有一个堆栈段存放的是局部函数变量和函数参数。

指令指针

指令指针(EIP)寄存器中包含下一条将要执行指令的地址。某些机器指令能控制 EIP,使得程序分支转向到一个新位置。

EFLAGS 寄存器

EFLAGS (或 Flags)寄存器包含了独立的二进制位,用于控制 CPU 的操作,或是反映一些 CPU 操作的结果。有些指令可以测试和控制这些单独的处理器标志位。

设置标志位时,该标识位 =1;清除(或重置)标识位时,该标志位 =0。

控制标志位

控制标志位控制 CPU 的操作。例如,它们能使得 CPU 每执行一条指令后进入中断;在侦测到算术运算溢出时中断执行;进入虚拟 8086 模式,以及进入保护模式。

程序能够通过设置 EFLAGS 寄存器中的单独位来控制 CPU 的操作,比如,方向标志位和中断标志位。

状态标志位

状态标志位反映了 CPU 执行的算术和逻辑操作的结果。其中包括:溢出位、符号位、零标志位、辅助进位标志位、奇偶校验位和进位标志位。下述说明中,标志位的缩写紧跟在标志位名称之后:
  • 进位标志位(CF),与目标位置相比,无符号算术运算结果太大时,设置该标志位。
  • 溢出标志位(OF),与目标位置相比,有符号算术运算结果太大或太小时,设置该标志位。
  • 符号标志位(SF),算术或逻辑操作产生负结果时,设置该标志位。
  • 零标志位(ZF),算术或逻辑操作产生的结果为零时,设置该标志位。
  • 辅助进位标志位(AC),算术操作在 8 位操作数中产生了位 3 向位 4 的进位时,设置该标志位。
  • 奇偶校验标志位(PF),结果的最低有效字节包含偶数个 1 时,设置该标志位,否则,清除该标志位。一般情况下,如果数据有可能被修改或损坏时,该标志位用于进行 错误检测。

3) MMX 寄存器

在实现高级多媒体和通信应用时,MMX 技术提高了 Intel 处理器的性能。8 个 64 位 MMX 寄存器支持称为 SIMD(单指令,多数据,Single-Instruction,Multiple-Data)的特殊指令。

顾名思义,MMX 指令对 MMX 寄存器中的数据值进行并行操作。虽然,它们看上去是独立的寄存器,但是 MMX 寄存器名实际上是浮点单元中使用的同样寄存器的别名。

4) XMM 寄存器

x86 结构还包括了 8 个 128 位 XMM 寄存器,它们被用于 SIMD 流扩展指令集。

浮点单元

浮点单元(FPU, floating-point unit)执行高速浮点算术运算。之前为了这个目的,需要一个独立的协处理器芯片。从 Intel486 处理器开始,FPU 已经集成到主处理器芯片上。

FPU 中有 8 个浮点数据寄存器,分别命名为 ST(0),ST(1),ST(2),ST(3),ST(4), ST(5), ST (6)和 ST(7)。其他控制寄存器和指针寄存器如下图所示。

浮点单元寄存器

x86 内存管理

x86 处理器按照前面讨论的基本操作模式来管理内存。保护模式是最可靠、最强大的,但是它对应用程序直接访问系统硬件有着严格的限制。

在实地址模式中,只能寻址 1MB 内存,地址从 00000H 到 FFFFFH。处理器一次只能运行一个程序,但是可以暂时中断程序来处理来自外围设备的请求(称为中断(interrupt))。

应用程序被允许访问内存的任何位置,包括那些直接与系统硬件相关的地址。MS-DOS 操作系统在实地址模式下运行,Windows 95 和 98 能够引导进入这种模式。

在保护模式中,处理器可以同时运行多个程序,它为每个进程(运行中的程序)分配总共 4GB 的内存。每个程序都分配有自己的保留内存区域,程序之间禁止意外访问其他程序的代码和数据。MS-Windows 和 Linux 运行在保护模式下。

在虚拟 8086 模式中,计算机运行在保护模式下,通过创建一个带有 1MB 地址空间的虚拟 8086 机器来模拟运行于实地址模式的 80x86 计算机。例如,在 Windows NT 和 2000 下,当打开一个命令窗口时,就创建了一个虚拟 8086 机器。同一时间可以运行多个这样的窗口,并且窗口之间都是受到保护的。

在 Windows NT,2000 和 XP 系统中,某些需要直接使用计算机硬件的 MS-DOS 程序不能运行在虚拟 8086 模式下。

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