操作系統(tǒng)研討1-80386架構(gòu)的主要寄存器組

1、80386架構(gòu)的主要寄存器組研討第研討第1 1組組簡(jiǎn)介-Intel CPU的發(fā)展史早期：4 4位微處理器：位微處理器：40044004，8 8位微處理器：位微處理器：80088008，80808080 x86時(shí)代：1616位微處理器（位微處理器（2020地址總線）：地址總線）：80868086，80888088（8 8位），位），8018680186（220220即：即：尋址能力為尋址能力為1MB1MB）1616位微處理器（位微處理器（2424地址總線）：地址總線）：8028680286（224224即尋址能力為即尋址能力為16MB16MB，多任，多任務(wù)，多系統(tǒng)）務(wù)，多系統(tǒng)）3232位微處理器

2、（位微處理器（3232地址總線）地址總線）:80386:80386（232232即尋址能力為即尋址能力為4GB4GB，全面支，全面支持持3232位數(shù)據(jù)類型和位數(shù)據(jù)類型和3232位操作），位操作），8048680486第五代微處理器：第五代微處理器：Pentium Pentium 和和Pentium ProPentium Pro等（等（3232位微處理器，區(qū)別在位微處理器，區(qū)別在于數(shù)據(jù)總線和地址總線有所拓展，比如于數(shù)據(jù)總線和地址總線有所拓展，比如 Pentium Pentium 的數(shù)據(jù)總線達(dá)到的數(shù)據(jù)總線達(dá)到64 64 位，而位，而 Pentium Pro Pentium Pro 的地址總線位數(shù)達(dá)

3、到了的地址總線位數(shù)達(dá)到了3636位。）位。）寄存器簡(jiǎn)介寄存器就是個(gè)存儲(chǔ)信息的單元或者說(shuō)是器件又或者寄存器就是個(gè)存儲(chǔ)信息的單元或者說(shuō)是器件又或者說(shuō)是容器而已，就比如內(nèi)存也是一個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)或者說(shuō)是容器而已，就比如內(nèi)存也是一個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)或者說(shuō)是存儲(chǔ)單元而已，其實(shí)寄存器從理解上來(lái)說(shuō)和內(nèi)說(shuō)是存儲(chǔ)單元而已，其實(shí)寄存器從理解上來(lái)說(shuō)和內(nèi)存差不多，只不過(guò)寄存器（這里討論的寄存器都是存差不多，只不過(guò)寄存器（這里討論的寄存器都是 CPU CPU 中的寄存器，不包括外設(shè)上的寄存器）位于中的寄存器，不包括外設(shè)上的寄存器）位于CPUCPU內(nèi)部，而內(nèi)存位于內(nèi)部，而內(nèi)存位于 CPU CPU 外部。外部。而且，寄存器比內(nèi)存珍貴得多

4、，就拿內(nèi)存和硬盤來(lái)而且，寄存器比內(nèi)存珍貴得多，就拿內(nèi)存和硬盤來(lái)比，內(nèi)存在使用上珍貴得多，是比，內(nèi)存在使用上珍貴得多，是PCPC中的稀有資源，中的稀有資源，而寄存器是而寄存器是 CPU CPU 中的稀有資源，內(nèi)存和寄存器相中的稀有資源，內(nèi)存和寄存器相比就像硬盤和內(nèi)存相比一樣比就像硬盤和內(nèi)存相比一樣 。寄存器簡(jiǎn)介不同的不同的 CPU CPU ，寄存器的個(gè)數(shù)和結(jié)構(gòu)都是不一樣的。，寄存器的個(gè)數(shù)和結(jié)構(gòu)都是不一樣的。比如比如 8086 CPU 8086 CPU 中，寄存器的個(gè)數(shù)也就中，寄存器的個(gè)數(shù)也就 14 14 個(gè)而已，個(gè)而已，并且并且 8086 CPU 8086 CPU 中所有的寄存器的結(jié)構(gòu)為中所有的

5、寄存器的結(jié)構(gòu)為 16 16 位，即位，即一個(gè)寄存器中可以存放下一個(gè)寄存器中可以存放下 2 B 2 B 即即 2 2 個(gè)字節(jié)。個(gè)字節(jié)。而到了而到了 80386 CPU 80386 CPU 中，寄存器的個(gè)數(shù)也比中，寄存器的個(gè)數(shù)也比 8086 8086 增增多了，比如在多了，比如在 80386 80386 中添加了系統(tǒng)地址寄存器等寄中添加了系統(tǒng)地址寄存器等寄存器，同時(shí)寄存器的結(jié)構(gòu)也變了，比如在存器，同時(shí)寄存器的結(jié)構(gòu)也變了，比如在 80386 80386 中中絕大多數(shù)的寄存器為絕大多數(shù)的寄存器為 32 32 位，而有些寄存器則是位，而有些寄存器則是 16 16 位位 。80386架構(gòu)的主要寄存器組80

6、38680386共提供共提供7 7種類型的種類型的3232位寄存器，如下：位寄存器，如下：1.1.通用寄存器通用寄存器(EAX(EAX、EBXEBX、ECXECX、EDXEDX、ESPESP、EBPEBP、ESIESI、EDI)EDI)2.2.段寄存器段寄存器(CS(CS、SSSS、DSDS、ESES、FSFS、GS)GS)3.3.指令指針寄存器和標(biāo)志寄存器指令指針寄存器和標(biāo)志寄存器(EIP(EIP、EFLAGS)EFLAGS)4.4.系統(tǒng)表寄存器系統(tǒng)表寄存器(GDTR(GDTR、IDTRIDTR、LDTRLDTR、TR)TR)5.5.控制寄存器控制寄存器(CR0(CR0、CR1CR1、CR2

7、CR2、CR3CR3、CR4)CR4)6.6.調(diào)試寄存器調(diào)試寄存器(DR0(DR0、DR1DR1、DR2DR2、DR3DR3、DR4DR4、DR5DR5、DR6DR6、DR7)DR7)7.7.測(cè)試寄存器測(cè)試寄存器(TR6(TR6、TR7)TR7)前四類寄存器大致示意圖通用寄存器通用寄存器(EAX(EAX、EBXEBX、ECXECX、EDXEDX、ESPESP、EBPEBP、ESIESI、EDI)EDI)- -段寄存器段寄存器(CS(CS、SSSS、DSDS、ESES、FSFS、GS)GS)- -指令指針寄存器和標(biāo)志指令指針寄存器和標(biāo)志寄存器寄存器(EIP(EIP、EFLAGS)EFLAGS)-

8、 -系統(tǒng)表寄存器系統(tǒng)表寄存器(GDTR(GDTR、IDTRIDTR、LDTRLDTR、TR)TR)詳細(xì)介紹通用寄存器一組八個(gè)通用寄存器是對(duì)一組八個(gè)通用寄存器是對(duì)8086/802868086/80286通用寄存通用寄存器的器的3232位擴(kuò)展，其用法與在位擴(kuò)展，其用法與在8086/802868086/80286中相似，中相似，支持支持8 8位、位、1616位、位、3232位操作，進(jìn)行位操作，進(jìn)行3232位操作是，位操作是，寄存器名稱前面冠以寄存器名稱前面冠以“E”E”。這八個(gè)寄存器的名稱如下：這八個(gè)寄存器的名稱如下：EAXEAX（累加器）、（累加器）、EBXEBX（基址）、（基址）、ECXECX（

9、計(jì)數(shù)）、（計(jì)數(shù)）、EDXEDX（數(shù)據(jù)）、（數(shù)據(jù)）、ESPESP（棧指針）、（棧指針）、EBPEBP（基址指（基址指針）、針）、ESIESI（源變址）、（源變址）、EDIEDI（目的變址）。（目的變址）。詳細(xì)介紹段寄存器8038680386比比8086/802868086/80286增加了兩個(gè)段寄存器增加了兩個(gè)段寄存器FSFS、GSGS。除除CSCS支持代碼段，支持代碼段，SSSS支持堆棧段外，程序員可支持堆棧段外，程序員可以利用其它的所有段寄存器支持?jǐn)?shù)據(jù)段。以利用其它的所有段寄存器支持?jǐn)?shù)據(jù)段。每個(gè)段寄存器對(duì)應(yīng)這一個(gè)每個(gè)段寄存器對(duì)應(yīng)這一個(gè)6464位高速緩存器（有位高速緩存器（有些資料中說(shuō)有些資料

10、中說(shuō)有9696位，但值使用其中的位，但值使用其中的6464位），位），這在這在80868086中是沒(méi)有的（在中是沒(méi)有的（在8028680286中為中為4848位）。位）。詳細(xì)介紹指令指針寄存器 指令寄存器指令寄存器EIPEIP是對(duì)是對(duì)8086/802868086/80286指令指針寄存指令指針寄存器的器的3232位擴(kuò)展，它包含著待執(zhí)行指令的位擴(kuò)展，它包含著待執(zhí)行指令的3232位偏位偏移量，該值總是相對(duì)移量，該值總是相對(duì)CSCS所代表的段基址而言的。所代表的段基址而言的。詳細(xì)介紹標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器也是對(duì)標(biāo)志寄存器也是對(duì)8086/802868086/80286標(biāo)志寄存器的標(biāo)志寄存器的3232位擴(kuò)

11、展，其定義如下圖：位擴(kuò)展，其定義如下圖：詳細(xì)介紹標(biāo)志寄存器其中其中OFOF、DFDF、IFIF、TFTF、SFSF、ZFZF、AFAF、PFPF和和CFCF在在80868086中就中就已經(jīng)存在。已經(jīng)存在。IOPLIOPL（I/O Privilege LevelI/O Privilege Level）是從）是從8028680286開(kāi)始出現(xiàn)的，開(kāi)始出現(xiàn)的，占占2 2個(gè)個(gè)bitbit表示表示I/OI/O特權(quán)級(jí)，如果當(dāng)前特權(quán)級(jí)小于或等于特權(quán)級(jí)，如果當(dāng)前特權(quán)級(jí)小于或等于IOPLIOPL，則可以執(zhí)行，則可以執(zhí)行I/OI/O操作，否則將出現(xiàn)一個(gè)保護(hù)性異操作，否則將出現(xiàn)一個(gè)保護(hù)性異常。常。IOPLIOPL只能

12、由特權(quán)級(jí)為只能由特權(quán)級(jí)為0 0的程序或任務(wù)來(lái)修改。的程序或任務(wù)來(lái)修改。NTNT（Nested TaskNested Task）也是從）也是從8028680286開(kāi)始出現(xiàn)的，表示嵌套開(kāi)始出現(xiàn)的，表示嵌套任務(wù)，用于控制中斷返回指令任務(wù)，用于控制中斷返回指令I(lǐng)RETIRET，當(dāng)，當(dāng)NT=0NT=0時(shí)，用堆棧時(shí)，用堆棧中保存的值恢復(fù)中保存的值恢復(fù)EFLAGSEFLAGS、CSCS和和EIPEIP，從而實(shí)現(xiàn)返回；若，從而實(shí)現(xiàn)返回；若NT=1NT=1，則通過(guò)任務(wù)切換實(shí)現(xiàn)中斷返回。，則通過(guò)任務(wù)切換實(shí)現(xiàn)中斷返回。詳細(xì)介紹標(biāo)志寄存器下面的標(biāo)志位是下面的標(biāo)志位是8038680386以后的以后的CPUCPU才有的標(biāo)

13、志：才有的標(biāo)志：VMVM（Virtual-8086 modeVirtual-8086 mode）表示虛擬）表示虛擬80868086模式，如果模式，如果VMVM被置位且被置位且8038680386已已出于保護(hù)模式下，則出于保護(hù)模式下，則CPUCPU切換到虛擬切換到虛擬80868086模式，此時(shí)，對(duì)段的任何操作又模式，此時(shí)，對(duì)段的任何操作又回到了實(shí)模式，如同在回到了實(shí)模式，如同在80868086下運(yùn)行一樣。下運(yùn)行一樣。RFRF（Resume flagResume flag）表示恢復(fù)標(biāo)志）表示恢復(fù)標(biāo)志( (也叫重啟標(biāo)志也叫重啟標(biāo)志) )，與調(diào)試寄存器一起用，與調(diào)試寄存器一起用于斷點(diǎn)和單步操作。于斷點(diǎn)

14、和單步操作。ACAC（Alignment checkAlignment check）表示對(duì)齊檢查。這個(gè)標(biāo)志是）表示對(duì)齊檢查。這個(gè)標(biāo)志是8048680486以后的以后的CPUCPU才有才有的。的。以下的三個(gè)標(biāo)志是以下的三個(gè)標(biāo)志是PentiumPentium以后的以后的CPUCPU才有的：才有的：VIFVIF（Virtual interrupt flagVirtual interrupt flag）表示虛擬中斷標(biāo)志。）表示虛擬中斷標(biāo)志。VIPVIP（Virtual interrupt pending flagVirtual interrupt pending flag）表示虛擬中斷掛起標(biāo)志。）表示

15、虛擬中斷掛起標(biāo)志。IDID（Identification flagIdentification flag）表示鑒別標(biāo)志。該標(biāo)志用來(lái)只是）表示鑒別標(biāo)志。該標(biāo)志用來(lái)只是Pentium Pentium CPUCPU是否支持是否支持CPUIDCPUID的指令。的指令。詳細(xì)介紹系統(tǒng)表寄存器80386 80386 中有中有4 4個(gè)系統(tǒng)表寄存器，分別是全局描述個(gè)系統(tǒng)表寄存器，分別是全局描述符表寄存器符表寄存器(GDTR)(GDTR)、中斷描述符表寄存器、中斷描述符表寄存器(IDTR)(IDTR)、局部描述符表寄存器、局部描述符表寄存器(LDTR)(LDTR)、任務(wù)狀、任務(wù)狀態(tài)寄存器態(tài)寄存器(TR)(TR)。

16、系統(tǒng)表寄存器用于在保護(hù)方式下，管理系統(tǒng)表寄存器用于在保護(hù)方式下，管理4 4個(gè)系統(tǒng)個(gè)系統(tǒng)表，由于只能在保護(hù)方式下使用，因此又稱為表，由于只能在保護(hù)方式下使用，因此又稱為保護(hù)方式寄存器。保護(hù)方式寄存器。詳細(xì)介紹控制寄存器8038680386的控制寄存器有的控制寄存器有4 4個(gè)，其中個(gè)，其中CR1CR1保留以后使用，從保留以后使用，從PentiumPentium開(kāi)開(kāi)始，又增加了一個(gè)始，又增加了一個(gè)CR4CR4，CR0CR0的低的低1616位包含了與位包含了與8028680286的的MSWMSW一致的一致的位定義，保持了和位定義，保持了和8028680286的兼容，同時(shí)也兼容了從的兼容，同時(shí)也兼容了從

17、8028680286開(kāi)始的兩開(kāi)始的兩條指令條指令LMSW/SMSWLMSW/SMSW，其基本定義如下：，其基本定義如下：詳細(xì)介紹控制寄存器CR0CR0中各位含義如下：中各位含義如下：PEPE（Protection EnableProtection Enable）保護(hù)模式允許，）保護(hù)模式允許，PE=0PE=0表示表示CPUCPU工作在實(shí)模式，工作在實(shí)模式，PE=1PE=1表示表示CPUCPU工作在保護(hù)模式工作在保護(hù)模式MPMP（Monitor CoprocessorMonitor Coprocessor）監(jiān)控協(xié)處理器，）監(jiān)控協(xié)處理器，MP=1MP=1表示協(xié)處理器在工作，表示協(xié)處理器在工作，MP=

18、0MP=0表示協(xié)處理器未工作。表示協(xié)處理器未工作。EMEM（EmulationEmulation）協(xié)處理器仿真，當(dāng)）協(xié)處理器仿真，當(dāng)MP=0MP=0，EM=1EM=1時(shí)，表示正在使用軟件仿時(shí)，表示正在使用軟件仿真協(xié)處理器工作。真協(xié)處理器工作。TSTS（Task SwitchedTask Switched）任務(wù)轉(zhuǎn)換，每當(dāng)進(jìn)行任務(wù)轉(zhuǎn)換時(shí)，）任務(wù)轉(zhuǎn)換，每當(dāng)進(jìn)行任務(wù)轉(zhuǎn)換時(shí)，TS=1TS=1，任務(wù)轉(zhuǎn)換，任務(wù)轉(zhuǎn)換完畢，完畢，TS=0TS=0。TS=1TS=1時(shí)不允許協(xié)處理器工作。時(shí)不允許協(xié)處理器工作。以上以上4 4個(gè)定義從個(gè)定義從8028680286開(kāi)始，下面的開(kāi)始，下面的2 2個(gè)定義從個(gè)定義從8038680386開(kāi)始存在：開(kāi)始存在：ETET（Extension TypeExtension Type）處理器擴(kuò)展