第13章IA-32微處理器課件

1、第第13章章 IA-32微處理器微處理器13.1 IA-32處理器的功能結(jié)構(gòu)處理器的功能結(jié)構(gòu)13.1.1 80386的功能結(jié)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)圖圖13-1 8038613-1 80386的功能結(jié)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu) 從從8086到到80386，處理器的功能有了，處理器的功能有了質(zhì)的飛躍。質(zhì)的飛躍。 體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）從）從16位寄存器發(fā)展為位寄存器發(fā)展為32位寄存器。位寄存器。（2）地址寄存器也發(fā)展為）地址寄存器也發(fā)展為32位?？蓪ぶ返牡匚??？蓪ぶ返牡刂贩秶_(dá)到址范圍達(dá)到4GB，有了巨大的擴(kuò)展。，有了巨大的擴(kuò)展。（3）增加了保護(hù)方式。使處理器有了兩種工）增加了保護(hù)方式。使處理器有

2、了兩種工作方式：實(shí)地址方式和保護(hù)虛地址方式。作方式：實(shí)地址方式和保護(hù)虛地址方式。實(shí)地址方式與實(shí)地址方式與8086兼容；保護(hù)方式才是兼容；保護(hù)方式才是32位處理器能真正發(fā)揮其完整功能的工作方位處理器能真正發(fā)揮其完整功能的工作方式。式。（4）引入了多任務(wù)、任務(wù)切換的概念。）引入了多任務(wù)、任務(wù)切換的概念。（5）引入了四級(jí)特權(quán)機(jī)制，引入了調(diào)用門(mén)、）引入了四級(jí)特權(quán)機(jī)制，引入了調(diào)用門(mén)、陷阱門(mén)、中斷門(mén)，使程序能在不同特權(quán)之陷阱門(mén)、中斷門(mén)，使程序能在不同特權(quán)之間切換。間切換。（6）引入了存儲(chǔ)管理單元（）引入了存儲(chǔ)管理單元（MMU），使采），使采用用80386的操作系統(tǒng)能方便地實(shí)現(xiàn)請(qǐng)頁(yè)機(jī)制的操作系統(tǒng)能方便地實(shí)現(xiàn)

3、請(qǐng)頁(yè)機(jī)制（每頁(yè)為（每頁(yè)為4KB），從而實(shí)現(xiàn)了虛擬存儲(chǔ)器），從而實(shí)現(xiàn)了虛擬存儲(chǔ)器管理。管理。（7）增加了新指令（主要是保護(hù)方式的指）增加了新指令（主要是保護(hù)方式的指令）。令）。13.1.2 80486的功能結(jié)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)圖圖13-2 8048613-2 80486微處理器的功能結(jié)構(gòu)微處理器的功能結(jié)構(gòu) 為了進(jìn)一步提高微處理器的執(zhí)行性能，為了進(jìn)一步提高微處理器的執(zhí)行性能，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，對(duì)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，對(duì)80486微處理器進(jìn)行了一微處理器進(jìn)行了一些改進(jìn)，這些改進(jìn)主要包括：些改進(jìn)，這些改進(jìn)主要包括：（1）將）將80386處理器的指令譯碼和執(zhí)行部件處理器的指令譯碼和執(zhí)行部件擴(kuò)展成五級(jí)流水線，進(jìn)一步增強(qiáng)了其

4、并行擴(kuò)展成五級(jí)流水線，進(jìn)一步增強(qiáng)了其并行處理能力，在五級(jí)流水線中最多可有五條處理能力，在五級(jí)流水線中最多可有五條指令被同時(shí)執(zhí)行，每級(jí)都能在一個(gè)時(shí)鐘周指令被同時(shí)執(zhí)行，每級(jí)都能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，期內(nèi)執(zhí)行一條指令，80486微處理器最快能微處理器最快能夠在每個(gè)夠在每個(gè)CPU時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令。時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令。（2）同時(shí)還增加一個(gè)）同時(shí)還增加一個(gè)8KB高速緩存，該高速高速緩存，該高速緩存極大地提高了微處理器處理時(shí)的取指緩存極大地提高了微處理器處理時(shí)的取指性能，如果對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)的指令或操性能，如果對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)的指令或操作數(shù)位于該高速緩存中，每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)作數(shù)位于該高速緩存

5、中，每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行指令的數(shù)量將多于執(zhí)行指令的數(shù)量將多于5個(gè)。個(gè)。（3）另外，在）另外，在80486中，首次將浮點(diǎn)處理部中，首次將浮點(diǎn)處理部件件X87 FPU集成到微處理器內(nèi)。集成到微處理器內(nèi)。（4）當(dāng)然，總線接口部件也更加復(fù)雜，也增）當(dāng)然，總線接口部件也更加復(fù)雜，也增加了一些新的引腳、新的位和指令以支持加了一些新的引腳、新的位和指令以支持更加復(fù)雜、功能強(qiáng)大的系統(tǒng)（支持外部的更加復(fù)雜、功能強(qiáng)大的系統(tǒng)（支持外部的第二級(jí)高速緩存第二級(jí)高速緩存L2和多處理器系統(tǒng)）。和多處理器系統(tǒng)）。圖圖13-3 13-3 新型新型IA-32IA-32結(jié)構(gòu)微處理器的功能結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)微處理器的功能結(jié)構(gòu)13.2 IA-32

6、結(jié)構(gòu)微處理器的指令系統(tǒng)的發(fā)展結(jié)構(gòu)微處理器的指令系統(tǒng)的發(fā)展1奔騰奔騰MMX引入的指令引入的指令2SSE指令指令3SSE2指令指令13.3 IA-32結(jié)構(gòu)微處理器的性能發(fā)展結(jié)構(gòu)微處理器的性能發(fā)展 IA-32結(jié)構(gòu)提高處理速度的主要措施有：結(jié)構(gòu)提高處理速度的主要措施有：（1）改善芯片的制造工藝，提高芯片的工作）改善芯片的制造工藝，提高芯片的工作頻率。頻率。（2）增加多級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，使其能在一個(gè)時(shí)）增加多級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，使其能在一個(gè)時(shí)鐘周期中執(zhí)行一條甚至多條指令。鐘周期中執(zhí)行一條甚至多條指令。（3）增加芯片上的）增加芯片上的Cache，除了一級(jí)，除了一級(jí)Cache外，還增加了二級(jí)外，還增加了二級(jí)Cache

7、。增加。增加Cache的的容量和容量和Cache的速度。的速度。（4）增加內(nèi)部及外部數(shù)據(jù)通道的寬度。）增加內(nèi)部及外部數(shù)據(jù)通道的寬度。13.3.1 IA-32的流水線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介的流水線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介1流水線與并行執(zhí)行技術(shù)流水線與并行執(zhí)行技術(shù) 圖圖13-4 808613-4 8086微處理器執(zhí)行過(guò)程微處理器執(zhí)行過(guò)程圖圖13-5 13-5 整數(shù)流水線部件整數(shù)流水線部件圖圖13-6 13-6 浮點(diǎn)流水線及整數(shù)流水線結(jié)構(gòu)浮點(diǎn)流水線及整數(shù)流水線結(jié)構(gòu)階段階段整數(shù)處理部件整數(shù)處理部件浮點(diǎn)處理部件浮點(diǎn)處理部件MMXMMX處理部件處理部件第一第一PFPF：從指令：從指令CacheCache或存儲(chǔ)器中預(yù)取指令或存儲(chǔ)器中預(yù)取

8、指令PFPF：同左：同左PFPF：同左：同左第二第二F F：進(jìn)行指令長(zhǎng)度和指令前綴的譯碼：進(jìn)行指令長(zhǎng)度和指令前綴的譯碼F F：同左：同左F F：同左：同左第三第三D1D1：根據(jù)指令配對(duì)規(guī)則決定指令去：根據(jù)指令配對(duì)規(guī)則決定指令去u/vu/vD1D1：同左：同左D1D1：同左：同左第四第四D2D2：進(jìn)行操作數(shù)存儲(chǔ)地址的計(jì)算：進(jìn)行操作數(shù)存儲(chǔ)地址的計(jì)算D2D2：同左：同左D2D2：同左：同左第五第五EXEX：進(jìn)行：進(jìn)行ALUALU操作和訪問(wèn)數(shù)據(jù)操作和訪問(wèn)數(shù)據(jù)CacheCacheEXEX：讀存儲(chǔ)器與寄存器：讀存儲(chǔ)器與寄存器EXEX：確定執(zhí)行的命令：確定執(zhí)行的命令第六第六WBWB：修改處理器狀態(tài)和完成執(zhí)行

9、：修改處理器狀態(tài)和完成執(zhí)行X1X1：格式轉(zhuǎn)換至浮點(diǎn)：格式轉(zhuǎn)換至浮點(diǎn)R RMexMex：執(zhí)行：執(zhí)行MMXMMX指令，乘法（指令，乘法（1 1）第七第七X2X2：進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算：進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算WM/M2WM/M2：回寫(xiě)，乘法（：回寫(xiě)，乘法（2 2）第八第八WFWF：結(jié)果寫(xiě)至浮點(diǎn)：結(jié)果寫(xiě)至浮點(diǎn)R RM3M3：乘法（：乘法（3 3）的第三階段）的第三階段第九第九ERER：錯(cuò)誤報(bào)告，改狀態(tài)：錯(cuò)誤報(bào)告，改狀態(tài)W/mulW/mul：乘法結(jié)果回寫(xiě)：乘法結(jié)果回寫(xiě)表表13-1 13-1 PentiumPentium系列微處理器流水線各階段部件基本功能系列微處理器流水線各階段部件基本功能（a a）PentiumPent

10、ium處理器處理器(75/90/100/120/133/150/166/200)(75/90/100/120/133/150/166/200)（b b）具有）具有MMXMMX技術(shù)的技術(shù)的PentiumPentium處理器處理器注：注：i1i1為指令為指令1 1。 圖圖13-7 13-7 微處理器流水線結(jié)構(gòu)微處理器流水線結(jié)構(gòu)圖圖13-8 13-8 第六代微處理器流水線第六代微處理器流水線2推測(cè)執(zhí)行技術(shù)推測(cè)執(zhí)行技術(shù) 推測(cè)執(zhí)行技術(shù)（或稱(chēng)為預(yù)測(cè)執(zhí)行技術(shù)）推測(cè)執(zhí)行技術(shù)（或稱(chēng)為預(yù)測(cè)執(zhí)行技術(shù)）是為了充分發(fā)揮流水線與并行執(zhí)行技術(shù)和是為了充分發(fā)揮流水線與并行執(zhí)行技術(shù)和后面將要介紹的超順序執(zhí)行技術(shù)而采取的后面將要

11、介紹的超順序執(zhí)行技術(shù)而采取的一種先進(jìn)的微處理器執(zhí)行技術(shù)。一種先進(jìn)的微處理器執(zhí)行技術(shù)。3超順序執(zhí)行技術(shù)超順序執(zhí)行技術(shù) 上述上述X86系列第六代微處理器中出現(xiàn)的系列第六代微處理器中出現(xiàn)的超順序執(zhí)行技術(shù)是一種新型的計(jì)算機(jī)執(zhí)行超順序執(zhí)行技術(shù)是一種新型的計(jì)算機(jī)執(zhí)行技術(shù)，這種技術(shù)突破傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)順序執(zhí)技術(shù)，這種技術(shù)突破傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)順序執(zhí)行過(guò)程，盡計(jì)算機(jī)各部件所能，最大限度行過(guò)程，盡計(jì)算機(jī)各部件所能，最大限度地利用計(jì)算機(jī)中各物理與邏輯資源，以最地利用計(jì)算機(jī)中各物理與邏輯資源，以最快地執(zhí)行指令?？斓貓?zhí)行指令。13.3.2 Cache1基本概念基本概念（1 1）CacheCache命中命中（2 2）CacheC

12、ache未命中未命中（3 3）CacheCache的一致性的一致性圖圖13-9 13-9 基本的基本的CacheCache模式模式2Cache結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（1 1）旁視）旁視圖圖13-10 13-10 旁視高速緩存結(jié)構(gòu)旁視高速緩存結(jié)構(gòu)（2 2）通視）通視圖圖13-11 13-11 通視高速緩存結(jié)構(gòu)通視高速緩存結(jié)構(gòu)（3 3）寫(xiě)通策略）寫(xiě)通策略 在寫(xiě)通策略中，微處理器將數(shù)據(jù)寫(xiě)至在寫(xiě)通策略中，微處理器將數(shù)據(jù)寫(xiě)至Cache，然后，繼續(xù)寫(xiě)到主存儲(chǔ)器。，然后，繼續(xù)寫(xiě)到主存儲(chǔ)器。 特別需要強(qiáng)調(diào)的是：在特別需要強(qiáng)調(diào)的是：在Cache修改其修改其內(nèi)容時(shí)，在數(shù)據(jù)寫(xiě)到主存儲(chǔ)器之前寫(xiě)周期內(nèi)容時(shí)，在數(shù)據(jù)寫(xiě)到主存儲(chǔ)器之前寫(xiě)周

13、期并不停止。并不停止。 具有這種策略的具有這種策略的Cache結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但寫(xiě)通性能將有所降低。但寫(xiě)通性能將有所降低。（4 4）回寫(xiě)策略）回寫(xiě)策略 回寫(xiě)策略決定了回寫(xiě)策略決定了Cache是如何處理一是如何處理一個(gè)寫(xiě)周期的。個(gè)寫(xiě)周期的。 在回寫(xiě)策略中，在回寫(xiě)策略中，Cache具有緩沖器作具有緩沖器作用，也就是說(shuō)，當(dāng)微處理器啟動(dòng)一次寫(xiě)周用，也就是說(shuō)，當(dāng)微處理器啟動(dòng)一次寫(xiě)周期時(shí)，期時(shí)，Cache接收數(shù)據(jù)并終止該周期，然接收數(shù)據(jù)并終止該周期，然后，在系統(tǒng)總線有效時(shí)由后，在系統(tǒng)總線有效時(shí)由Cache系統(tǒng)再將系統(tǒng)再將這些數(shù)據(jù)寫(xiě)回主存儲(chǔ)器。這些數(shù)據(jù)寫(xiě)回主存儲(chǔ)器。 由于在由于在Cache被修改后的

14、稍后時(shí)間就被修改后的稍后時(shí)間就允許處理器繼續(xù)執(zhí)行它的任務(wù)，所以，這允許處理器繼續(xù)執(zhí)行它的任務(wù)，所以，這種方法最大限度地提高了系統(tǒng)的性能。種方法最大限度地提高了系統(tǒng)的性能。 但這也增加了但這也增加了Cache的復(fù)雜性和費(fèi)用。的復(fù)雜性和費(fèi)用。3高速緩存高速緩存Cache的一致性協(xié)議的一致性協(xié)議 現(xiàn)在的微處理器為支持現(xiàn)在的微處理器為支持Cache的一致的一致性提供了一些相關(guān)的功能，外部環(huán)境可以性提供了一些相關(guān)的功能，外部環(huán)境可以動(dòng)態(tài)地改變微處理器所采用的動(dòng)態(tài)地改變微處理器所采用的Cache策略。策略。 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)Cache遵循遵循MESI一致性協(xié)議，而一致性協(xié)議，而指令指令Cache則是該協(xié)議的子集。

15、則是該協(xié)議的子集。 13.4 IA-32結(jié)構(gòu)微處理器的執(zhí)行環(huán)境結(jié)構(gòu)微處理器的執(zhí)行環(huán)境13.4.1 操作模式操作模式保護(hù)模式保護(hù)模式實(shí)地址模式實(shí)地址模式系統(tǒng)管理模式（系統(tǒng)管理模式（SSM）13.4.2 基本執(zhí)行環(huán)境概要基本執(zhí)行環(huán)境概要地址空間地址空間基本程序執(zhí)行寄存器基本程序執(zhí)行寄存器X87 FPU寄存器寄存器MMX寄存器寄存器 XMM寄存器寄存器堆棧（堆棧（Stack）I/O端口端口控制寄存器控制寄存器存儲(chǔ)管理寄存器存儲(chǔ)管理寄存器調(diào)試寄存器調(diào)試寄存器存儲(chǔ)類(lèi)型范圍寄存器（存儲(chǔ)類(lèi)型范圍寄存器（MTRRs）圖圖13-12 IA-3213-12 IA-32基本執(zhí)行環(huán)境基本執(zhí)行環(huán)境13.4.3 存儲(chǔ)器組

16、織存儲(chǔ)器組織1實(shí)地址方式存儲(chǔ)器組織實(shí)地址方式存儲(chǔ)器組織2分段模式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)分段模式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)3平面存儲(chǔ)模式平面存儲(chǔ)模式圖圖13-13 13-13 三種存儲(chǔ)管理模式三種存儲(chǔ)管理模式 操作模式和存儲(chǔ)模式之間的關(guān)系如下。操作模式和存儲(chǔ)模式之間的關(guān)系如下。保護(hù)模式保護(hù)模式實(shí)地址模式實(shí)地址模式圖圖13-14 13-14 基本程序執(zhí)行寄存器基本程序執(zhí)行寄存器 這些寄存器分組如下：這些寄存器分組如下：通用寄存器通用寄存器段寄存器段寄存器EFLAGS（程序狀態(tài)和控制）寄存器（程序狀態(tài)和控制）寄存器EIP（指令指針）寄存器（指令指針）寄存器1通用寄存器通用寄存器邏輯和算術(shù)操作的操作數(shù)邏輯和算術(shù)操作的操作數(shù)用于地

17、址計(jì)算的操作數(shù)用于地址計(jì)算的操作數(shù)內(nèi)存指針內(nèi)存指針 以下是這些特殊使用的小結(jié)：以下是這些特殊使用的小結(jié)：EAX操作數(shù)和結(jié)果數(shù)據(jù)的累加器。操作數(shù)和結(jié)果數(shù)據(jù)的累加器。EBX在在DS段中數(shù)據(jù)的指針。段中數(shù)據(jù)的指針。ECX串和循環(huán)操作的計(jì)數(shù)器。串和循環(huán)操作的計(jì)數(shù)器。EDXI/O指針。指針。ESI指向指向DS寄存器段中的數(shù)據(jù)指針、串寄存器段中的數(shù)據(jù)指針、串操作的源指針。操作的源指針。EDI指向指向ES寄存器段中的數(shù)據(jù)（目標(biāo)）寄存器段中的數(shù)據(jù)（目標(biāo)）指針、串操作的目標(biāo)指針。指針、串操作的目標(biāo)指針。ESP堆棧指針（在堆棧指針（在SS段中）。段中）。EBP堆棧上數(shù)據(jù)指針（在堆棧上數(shù)據(jù)指針（在SS段中）。段中）

18、。圖圖13-15 808613-15 8086通用寄存器通用寄存器2段寄存器段寄存器圖圖13-16 13-16 平面存儲(chǔ)模式中段寄存器的使用平面存儲(chǔ)模式中段寄存器的使用圖圖13-17 13-17 在分段存儲(chǔ)模式中的段寄存器在分段存儲(chǔ)模式中的段寄存器3EFLAGS寄存器寄存器 C F 0 P F 0 A F 0 Z F S F T F I F D F O F I O P L N T 0 R F V M A C V I F V I P D I 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 1

19、2 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 X ID 標(biāo)志 (ID) X 虛擬中斷掛起 (VIP) X 虛擬中斷標(biāo)志 (VIF) X 對(duì)齊核查 (AC) X 虛擬 8086 方式 (VM) X 恢復(fù)標(biāo)志 (RF) X 嵌套任務(wù) (NT) X I/O 特權(quán)級(jí) (IOPL) S 溢出標(biāo)志 (OF) C 方向標(biāo)志 (DF) C 中斷允許標(biāo)志 (IF) C 追蹤標(biāo)志 (TF) S 符號(hào)標(biāo)志 (SF) S 零標(biāo)志 (ZF) S 輔助進(jìn)位標(biāo)志 (AF) S 奇偶標(biāo)志 (PF) S 進(jìn)位標(biāo)志 (CF) S 指示狀態(tài)標(biāo)志 C 指示控制標(biāo)志 X 指示系統(tǒng)標(biāo)志 保留位，不要使用 始終設(shè)置為以前所讀的值

20、 圖圖13-18 EFLAGS13-18 EFLAGS寄存器寄存器（1 1）狀態(tài)標(biāo)志）狀態(tài)標(biāo)志（2 2）控制標(biāo)志）控制標(biāo)志（3 3）系統(tǒng)標(biāo)志和）系統(tǒng)標(biāo)志和IOPLIOPL字段字段4指令指針指令指針 指令指針（指令指針（EIP）寄存器包含下一條要）寄存器包含下一條要執(zhí)行的指令在當(dāng)前碼段中的偏移。執(zhí)行的指令在當(dāng)前碼段中的偏移。 13.4.5 X87 FPU結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)R7符號(hào)階位有效位R6R5R4R3R2R1R0控制寄存器FPU 指令指針狀態(tài)寄存器FPU 操作數(shù)指針標(biāo)記字寄存器操作碼797864 630標(biāo)記字段15047100圖圖13-19 x87 FPU13-19 x87 FPU執(zhí)行環(huán)境執(zhí)行環(huán)境1數(shù)

21、據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器2標(biāo)記字寄存器標(biāo)記字寄存器TAG(7)TAG(6)TAG(5)TAG(4)TAG(3)TAG(2)TAG(1)TAG(0)150圖圖13-20 FPU13-20 FPU標(biāo)記字寄存器標(biāo)記字寄存器3狀態(tài)字寄存器狀態(tài)字寄存器B150C3TOPC2C1C0ESSFPEUEOEZEDEIE1234567891011121314圖圖13-21 FPU13-21 FPU狀態(tài)字寄存器狀態(tài)字寄存器異異 常常原原 因因默認(rèn)動(dòng)作（若異常默認(rèn)動(dòng)作（若異常被屏蔽）被屏蔽）無(wú)效操作無(wú)效操作處理信號(hào)處理信號(hào)NaNNaN（即（即Not a NumberNot a Number非數(shù)值、非非數(shù)值、非支持的格式、

22、不確定的形式等）或堆棧上溢支持的格式、不確定的形式等）或堆棧上溢/ /下溢（下溢（SFSF也被置位）也被置位）結(jié)果是一個(gè)靜態(tài)的結(jié)果是一個(gè)靜態(tài)的NaNNaN，整數(shù)未定義，整數(shù)未定義或或BCDBCD的未定義的未定義非格式化的操非格式化的操作數(shù)作數(shù)最少有一個(gè)操作數(shù)非格式化，即具有除非零最少有一個(gè)操作數(shù)非格式化，即具有除非零有效位外的最小指數(shù)有效位外的最小指數(shù)繼續(xù)正常處理繼續(xù)正常處理零除數(shù)零除數(shù)除數(shù)為除數(shù)為0 0，被除數(shù)為無(wú)窮大（非，被除數(shù)為無(wú)窮大（非0 0數(shù)字）數(shù)字）結(jié)果為結(jié)果為上溢上溢對(duì)特定格式結(jié)果值太大對(duì)特定格式結(jié)果值太大結(jié)果為最大有限值結(jié)果為最大有限值或或下溢下溢真結(jié)果位非真結(jié)果位非0 0，按

23、特定格式表示大小，如果，按特定格式表示大小，如果下溢異常被屏蔽，非規(guī)格化使精度下降下溢異常被屏蔽，非規(guī)格化使精度下降結(jié)果為非規(guī)格化的結(jié)果為非規(guī)格化的或或0 0非精確的結(jié)果非精確的結(jié)果（精度）（精度）真結(jié)果不能按特定格式精確表示（如真結(jié)果不能按特定格式精確表示（如1/31/3）；）；結(jié)果根據(jù)舍入方式舍入結(jié)果根據(jù)舍入方式舍入繼續(xù)正常處理繼續(xù)正常處理表表13-213-2FPUFPU異常情況異常情況4指令與數(shù)據(jù)指示字寄存器指令與數(shù)據(jù)指示字寄存器圖圖13-22 413-22 4種種FPUFPU指令和數(shù)據(jù)的指示字指令和數(shù)據(jù)的指示字5FPU控制字寄存器控制字寄存器圖圖13-23 FPU13-23 FPU控制

24、字寄存器控制字寄存器值值功功 能能值值功功 能能0 00 0舍入到最近的舍入到最近的或偶數(shù)或偶數(shù)1 01 0向上舍入趨向向上舍入趨向+0 10 1向下舍入趨向向下舍入趨向1 11 1截?cái)啵崛氲浇財(cái)?，舍入到接近接? 0表表13-313-3RCRC控制定義控制定義值值功功 能能值值功功 能能0 00 02424位單精度位單精度1 01 05353位雙精度位雙精度0 10 1保留保留1 11 16464位擴(kuò)展精度位擴(kuò)展精度表表13-413-4PCPC控制定義控制定義13.5 IA-32 處理器的工作方式處理器的工作方式 IA-32微處理器有兩種主要的工作方式：微處理器有兩種主要的工作方式：實(shí)地址

25、方式和保護(hù)虛地址方式。實(shí)地址方式和保護(hù)虛地址方式。 實(shí)地址方式是為了與實(shí)地址方式是為了與8086兼容而設(shè)置兼容而設(shè)置的方式。的方式。 實(shí)地址方式和保護(hù)虛地址方式的區(qū)分實(shí)地址方式和保護(hù)虛地址方式的區(qū)分是由控制寄存器是由控制寄存器CR0的最低位的最低位PE位決定的。位決定的。 若若PE位為位為0，則工作在實(shí)地址方式；，則工作在實(shí)地址方式；PE = 1，工作在保護(hù)虛地址方式。，工作在保護(hù)虛地址方式。13.6 保護(hù)虛地址方式保護(hù)虛地址方式13.6.1 保護(hù)方式下的尋址機(jī)制保護(hù)方式下的尋址機(jī)制圖圖13-24 13-24 保護(hù)方式下的尋址保護(hù)方式下的尋址圖圖13-25 13-25 分頁(yè)和分段分頁(yè)和分段13

26、.6.2 全局描述符表和局部描述符表全局描述符表和局部描述符表（1 1）全局描述符表（）全局描述符表（gdtgdt） 全局描述符表中，包含著系統(tǒng)中每一全局描述符表中，包含著系統(tǒng)中每一個(gè)任務(wù)都可能（或可以）訪問(wèn)的段的描述個(gè)任務(wù)都可能（或可以）訪問(wèn)的段的描述符，通常包含操作系統(tǒng)使用的代碼段、數(shù)符，通常包含操作系統(tǒng)使用的代碼段、數(shù)據(jù)段和堆棧段，各種任務(wù)狀態(tài)段、系統(tǒng)中據(jù)段和堆棧段，各種任務(wù)狀態(tài)段、系統(tǒng)中所有的所有的ldt表的描述符等。表的描述符等。（2 2）局部描述符表（）局部描述符表（ldtldt） 通常，操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者使每一個(gè)任通常，操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者使每一個(gè)任務(wù)都有自己的務(wù)都有自己的ldt。 l

27、dt包含了此任務(wù)所使用的代碼段、數(shù)包含了此任務(wù)所使用的代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段描述符；也可包含此任務(wù)所據(jù)段、堆棧段描述符；也可包含此任務(wù)所使用的一些控制描述符，如任務(wù)門(mén)、調(diào)用使用的一些控制描述符，如任務(wù)門(mén)、調(diào)用門(mén)描述符。門(mén)描述符。圖圖13-26 13-26 全局和局部地址空間全局和局部地址空間13.6.3 描述符描述符 在在IA-32微處理器中，主要有兩種類(lèi)型微處理器中，主要有兩種類(lèi)型描述符：描述符：代段碼和數(shù)據(jù)段描述符代段碼和數(shù)據(jù)段描述符特種數(shù)據(jù)段和控制描述符特種數(shù)據(jù)段和控制描述符1代碼段和數(shù)據(jù)段描述符代碼段和數(shù)據(jù)段描述符圖圖13-27 13-27 代碼段和數(shù)據(jù)段描述符格式代碼段和數(shù)據(jù)段描述符

28、格式（1）其中的高）其中的高4位在所有的段描述符中都是位在所有的段描述符中都是相同的。相同的。（2）訪問(wèn)權(quán)字節(jié)的低）訪問(wèn)權(quán)字節(jié)的低4位，在位，在S = 0或或S = 1時(shí)是不同的。時(shí)是不同的。位位命命 名名功功 能能7 76 6，5 54 4存在（存在（P P）描述符特權(quán)級(jí)描述符特權(quán)級(jí)（DPLDPL）段描述符（段描述符（S S）P = 1P = 1段映像到物理存儲(chǔ)器段映像到物理存儲(chǔ)器P = 0P = 0無(wú)物理存儲(chǔ)器映像存在，描述符無(wú)效無(wú)物理存儲(chǔ)器映像存在，描述符無(wú)效段的特權(quán)屬性，用于訪問(wèn)時(shí)的特權(quán)測(cè)試段的特權(quán)屬性，用于訪問(wèn)時(shí)的特權(quán)測(cè)試S = 1S = 1碼或數(shù)據(jù)（包括堆棧）段描述符碼或數(shù)據(jù)（包括

29、堆棧）段描述符S = 0S = 0特種數(shù)據(jù)段，或控制（門(mén)）描述符特種數(shù)據(jù)段，或控制（門(mén)）描述符在在E = 0E = 0情況下：情況下：3 32 21 1可執(zhí)行（可執(zhí)行（E E）擴(kuò)展方向（擴(kuò)展方向（EDED）可寫(xiě)（可寫(xiě)（W W）E = 0E = 0不可執(zhí)行，為數(shù)據(jù)段描述符不可執(zhí)行，為數(shù)據(jù)段描述符ED = 0ED = 0向上擴(kuò)展，偏移量必須向上擴(kuò)展，偏移量必須界限界限ED = 1ED = 1向下擴(kuò)展，偏移量必須向下擴(kuò)展，偏移量必須 界限界限W = 0W = 0數(shù)據(jù)段不能寫(xiě)入數(shù)據(jù)段不能寫(xiě)入W = 1W = 1數(shù)據(jù)段可寫(xiě)入數(shù)據(jù)段可寫(xiě)入在在E = 1E = 1情況下：情況下：3 32 21 10 0可執(zhí)

30、行（可執(zhí)行（E E）一致（一致（C C）可讀（可讀（R R）訪問(wèn)（訪問(wèn)（A A）E = 1E = 1可執(zhí)行，為碼段描述符可執(zhí)行，為碼段描述符C = 1C = 1當(dāng)當(dāng)CPLDPLCPLDPL和和CPLCPL保持不變時(shí)，代碼段只能執(zhí)保持不變時(shí)，代碼段只能執(zhí)行行R = 0R = 0代碼段不可讀代碼段不可讀R = 1R = 1代碼段可讀代碼段可讀A = 0A = 0段尚未被訪問(wèn)段尚未被訪問(wèn)A = 1A = 1段已被訪問(wèn)段已被訪問(wèn)表表13-513-5 代碼段和數(shù)據(jù)段的訪問(wèn)權(quán)字節(jié)代碼段和數(shù)據(jù)段的訪問(wèn)權(quán)字節(jié)2特種數(shù)據(jù)段和控制描述符特種數(shù)據(jù)段和控制描述符圖圖13-28 13-28 特種數(shù)據(jù)段和控制描述符格式特

31、種數(shù)據(jù)段和控制描述符格式3特種數(shù)據(jù)段描述符特種數(shù)據(jù)段描述符I/O Permission Bitmap Offset0310 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

32、 0 0 0TLDTGSFSDSSSCSESEDIESIEBPESPEBXEDXECXEAXEFLAGSEIPCR30 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0SS2ESP20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0SS1ESP10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0SS0ESP00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0LINK64h60h5ch58h54h50h4ch48h44h40h3ch38h34h30h2ch28h24h20h1ch18h14h10h0ch840圖圖13-29 13-29 任務(wù)狀態(tài)段任務(wù)

33、狀態(tài)段4控制（門(mén)）描述符控制（門(mén)）描述符圖圖13-30 13-30 門(mén)描述符門(mén)描述符13.6.4 選擇子選擇子圖圖13-31 13-31 選擇子選擇子13.6.5 段描述符的高速緩沖寄存器段描述符的高速緩沖寄存器 存 在 特權(quán)級(jí) 已存取 粒 度 擴(kuò)展方向 可 讀 可 寫(xiě) 可執(zhí)行 堆棧大小 一致特權(quán) 32 位基址 （在選擇器裝入段 寄存器期間被修改） 32 位界限 (在選擇器裝入段 寄存器期間被修改) 其他屬性 (在選擇器裝入段 寄存器期間被修改) 段 描 述 符 高 速 緩 沖 寄 存 器 內(nèi) 容 基 址 界 限 CS 每個(gè)段描述符基址 每個(gè)段描述符界限 p d d d d d N Y d S

34、S 每個(gè)段描述符基址 d d d d r w N d DS 每個(gè)段描述符基址 d d d d d d N ES 每個(gè)段描述符基址 d d d d d d N FS 每個(gè)段描述符基址 d d d d d d N GS 每個(gè)段描述符基址 d d d d d d N 關(guān)鍵字：Y =是 N =否 d =每段描述符 p =每段描述符，描述符必須表示“存在”以避免異常 11（在 SS 情況下為異常 12） r =每段描述符，但描述符必須表示“可讀”以避免異常 13（SS 的特殊情況） w =每段描述符，但描述符必須表示“可寫(xiě)”以避免異常 13（SS 的特殊情況） =不用于該段高速緩沖寄存器 每個(gè)段描述符界

35、限 每個(gè)段描述符界限 每個(gè)段描述符界限 每個(gè)段描述符界限 每個(gè)段描述符界限 p p p p p 圖圖13-32 13-32 段高速緩沖寄存器段高速緩沖寄存器 存 在 特權(quán)級(jí) 已存取 粒 度 擴(kuò)展方向 可 讀 可 寫(xiě) 可執(zhí)行 堆棧大小 一致特權(quán) 32 位基址 （在選擇器裝入段 寄存器期間被修改） 32 位界限 (固定) 其他屬性 (固定) 段 描 述 符 高 速 緩 沖 寄 存 器 內(nèi) 容 *32 位 CS 基址，在復(fù)位后初始值為 FFFFF000H，直到第一個(gè)交叉段控制轉(zhuǎn)移 （即交叉段 CALL，或交叉段 JMP，或 INT） 。 關(guān)鍵字：Y=是 N=否 0=特權(quán)級(jí) 0 1=特權(quán)級(jí) 1 2=特

36、權(quán)級(jí) 2 3=特權(quán)級(jí) 3 U=向上擴(kuò)展 基 址 界 限 D=向下擴(kuò)展 B=字節(jié)粒度 P=頁(yè)面粒度 W=壓入/彈出 16 位字 F=壓入/彈出 32 位雙字 =不用于該段高速緩沖寄存器 CS 16當(dāng)前 CS 選擇器 0 0 0 0 F F F F H Y 0 Y B U Y Y N N SS 16當(dāng)前 SS 選擇器 0 0 0 0 F F F F H Y 0 Y B U Y Y N W DS 16當(dāng)前 DS 選擇器 0 0 0 0 F F F F H Y 0 Y B U Y Y N ES 16當(dāng)前 ES 選擇器 0 0 0 0 F F F F H Y 0 Y B U Y Y N FS 16當(dāng)前

37、FS 選擇器 0 0 0 0 F F F F H Y 0 Y B U Y Y N GS 16當(dāng)前 GS 選擇器 0 0 0 0 F F F F H Y 0 Y B U Y Y N 圖圖13-33 13-33 實(shí)地址方式下的段高速緩沖寄存器實(shí)地址方式下的段高速緩沖寄存器13.6.6 IA-32微處理器中的特權(quán)級(jí)微處理器中的特權(quán)級(jí)圖圖13-34 IA-3213-34 IA-32微處理器中的特權(quán)系統(tǒng)微處理器中的特權(quán)系統(tǒng) 圖圖13-35 13-35 在特權(quán)級(jí)在特權(quán)級(jí)3 3所能訪問(wèn)的范圍所能訪問(wèn)的范圍 圖圖13-36 13-36 特權(quán)級(jí)特權(quán)級(jí)1 1的訪問(wèn)范圍的訪問(wèn)范圍 圖圖13-37 13-37 特權(quán)級(jí)

38、特權(quán)級(jí)0 0的訪問(wèn)范圍的訪問(wèn)范圍 圖圖13-38 13-38 任務(wù)之間的保護(hù)任務(wù)之間的保護(hù)1一些有關(guān)特權(quán)的概念一些有關(guān)特權(quán)的概念（1 1）任務(wù)特權(quán)）任務(wù)特權(quán)（2 2）描述符特權(quán)）描述符特權(quán)（3 3）選擇子特權(quán)）選擇子特權(quán)（4 4）I/OI/O特權(quán)特權(quán)圖圖13-39 13-39 選擇子特權(quán)的作用選擇子特權(quán)的作用2描述符訪問(wèn)和特權(quán)檢查描述符訪問(wèn)和特權(quán)檢查（1 1）訪問(wèn)數(shù)據(jù)段）訪問(wèn)數(shù)據(jù)段（2 2）控制轉(zhuǎn)移）控制轉(zhuǎn)移控制轉(zhuǎn)移類(lèi)型控制轉(zhuǎn)移類(lèi)型操操 作作 類(lèi)類(lèi) 型型引用的描述符引用的描述符描描 述述 符符 表表在同一特權(quán)級(jí)的段間轉(zhuǎn)移在同一特權(quán)級(jí)的段間轉(zhuǎn)移JMPJMP、CALLCALL、RETRET、IRE

39、TIRET代碼段代碼段gdt/ldtgdt/ldt到相同或更高特權(quán)級(jí)的段到相同或更高特權(quán)級(jí)的段間轉(zhuǎn)移和任務(wù)內(nèi)的中斷，間轉(zhuǎn)移和任務(wù)內(nèi)的中斷，可以改變可以改變CPLCPLCALLCALL調(diào)用門(mén)調(diào)用門(mén)gdt/ldtgdt/ldt中斷指令、異常、外部中斷中斷指令、異常、外部中斷陷阱或中斷門(mén)陷阱或中斷門(mén)idtidt到較低特權(quán)級(jí)的段間轉(zhuǎn)移到較低特權(quán)級(jí)的段間轉(zhuǎn)移（改變?nèi)蝿?wù)的（改變?nèi)蝿?wù)的CPLCPL）RETRET、IRETIRET代碼段代碼段gdt/ldtgdt/ldt任務(wù)切換任務(wù)切換CALLCALL、JMPJMPCALLCALL、JMPJMPIRETIRET* * *中斷指令、異常、外中斷指令、異常、外部中

40、斷部中斷任務(wù)狀態(tài)段任務(wù)狀態(tài)段任務(wù)門(mén)任務(wù)門(mén)任務(wù)門(mén)任務(wù)門(mén)gdtgdtgdt/ldtgdt/ldtidtidt表表13-613-6 關(guān)于控制轉(zhuǎn)移的描述符訪問(wèn)規(guī)則關(guān)于控制轉(zhuǎn)移的描述符訪問(wèn)規(guī)則注：注： 在在NT = 0NT = 0時(shí)。時(shí)。 在在NT = 1NT = 1時(shí)。時(shí)。圖圖13-40 13-40 同一特權(quán)級(jí)的段間轉(zhuǎn)移同一特權(quán)級(jí)的段間轉(zhuǎn)移 圖圖13-41 13-41 不同特權(quán)級(jí)之間的段間轉(zhuǎn)移不同特權(quán)級(jí)之間的段間轉(zhuǎn)移（3 3）特權(quán)規(guī)則）特權(quán)規(guī)則（4 4）同一任務(wù)內(nèi)的控制轉(zhuǎn)移）同一任務(wù)內(nèi)的控制轉(zhuǎn)移3調(diào)用門(mén)調(diào)用門(mén) 當(dāng)啟動(dòng)當(dāng)啟動(dòng)IA-32微處理器的調(diào)用門(mén)時(shí)，將微處理器的調(diào)用門(mén)時(shí)，將產(chǎn)生下列操作：產(chǎn)生下列操作

41、：在進(jìn)行了門(mén)的合法性檢查后，根據(jù)目標(biāo)程在進(jìn)行了門(mén)的合法性檢查后，根據(jù)目標(biāo)程序的新的特權(quán)級(jí)，從任務(wù)狀態(tài)段中取出相序的新的特權(quán)級(jí)，從任務(wù)狀態(tài)段中取出相應(yīng)特權(quán)的堆棧指針，裝入應(yīng)特權(quán)的堆棧指針，裝入SS:ESP；把老的把老的SS由由0擴(kuò)展到擴(kuò)展到32位，壓入堆棧；位，壓入堆棧；壓入老的壓入老的ESP；從老的堆棧復(fù)制規(guī)定個(gè)數(shù)（由調(diào)用門(mén)中的從老的堆棧復(fù)制規(guī)定個(gè)數(shù)（由調(diào)用門(mén)中的DC字段指定）的雙字計(jì)數(shù)到新的堆棧；字段指定）的雙字計(jì)數(shù)到新的堆棧；把返回地址（把返回地址（16位選擇子、位選擇子、32位偏移量）位偏移量）壓入堆棧；壓入堆棧；用調(diào)用門(mén)中的選擇子裝入用調(diào)用門(mén)中的選擇子裝入CS寄存器，用調(diào)寄存器，用調(diào)用

42、門(mén)中的用門(mén)中的32位偏移量裝入位偏移量裝入EIP。圖圖13-42 13-42 利用調(diào)用門(mén)實(shí)現(xiàn)不同特權(quán)級(jí)之間的轉(zhuǎn)移利用調(diào)用門(mén)實(shí)現(xiàn)不同特權(quán)級(jí)之間的轉(zhuǎn)移圖圖13-43 13-43 堆棧變化的情況堆棧變化的情況13.6.7 任務(wù)切換任務(wù)切換圖圖13-44 13-44 任務(wù)門(mén)任務(wù)門(mén) 任務(wù)切換的實(shí)質(zhì)就是用一個(gè)新的任務(wù)任務(wù)切換的實(shí)質(zhì)就是用一個(gè)新的任務(wù)狀態(tài)段的選擇子加載狀態(tài)段的選擇子加載TR。所以，進(jìn)行任務(wù)。所以，進(jìn)行任務(wù)切換的方法為：切換的方法為：（1）用）用JMP或或CALL指令，直接訪問(wèn)新任務(wù)指令，直接訪問(wèn)新任務(wù)的任務(wù)狀態(tài)段。例如：的任務(wù)狀態(tài)段。例如： JM P （ 或C A L L ） 偏 移 量 選

43、 擇 子 （2）用）用JMP或或CALL指令訪問(wèn)任務(wù)門(mén)。指令訪問(wèn)任務(wù)門(mén)。 圖圖13-45 13-45 通過(guò)任務(wù)門(mén)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換通過(guò)任務(wù)門(mén)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換 0000 0000 1000 0000 1100 1001 0000 0000 0001 0000 0000 0000 0000 0000 0010 1011 0000 0000 0000 0000 LDT 0000 0000 0000 0000 CS 0000 0000 0000 0000 指向 TSS 的反向鏈接選擇器 0202 存取權(quán) 界限 基 礎(chǔ) 任務(wù) A 任務(wù)狀態(tài)段 任務(wù) A 任務(wù)狀態(tài)段 描述符 TSSR CPU 選擇器 31 0 圖圖1

44、3-46 13-46 任務(wù)切換例子（初始狀態(tài)）任務(wù)切換例子（初始狀態(tài)） 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0選擇器 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 07 0 7 07531642 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

45、 0 1 0 1 17 0 7 07531642 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 115 015 8 7 0（a）任務(wù) A 引用的任務(wù)門(mén)（b）任務(wù)門(mén)中的選擇器所引用的任務(wù) B 的任務(wù)狀態(tài)段描述符圖圖13-47 13-47 引用的任務(wù)門(mén)引用的任務(wù)門(mén) 0000 0000 0000 0000任務(wù) A 的 LDT 0000 0000 0000 0000GS 0000 0000 0000 0000 指向 TSS 的反向鏈接選擇器 0000 0000 0000 0000 1010 1001 0000 0000 0001 0001 0000 0000 0000 0000 0010 0010 0000 0000 1000 0000 0001 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000任務(wù) B 的 LDT 0209存取權(quán) 界限基 址任務(wù) A任務(wù)狀態(tài)任務(wù) B任務(wù)狀態(tài)描述符TSSR選擇器31 0 1100 1011 0000 0000 0000 0000 0010 1011 0000 0000 0000 0000GS 0000 0000 0000 0000 0000 0010 0000 0010描述符任務(wù)狀態(tài)段任務(wù) B任務(wù)狀態(tài)段任務(wù) A圖圖13-48 13-48 任務(wù)切換操作任務(wù)切換操作13.7 虛擬存儲(chǔ)器管理