80386的寄存器組成（轉）

本文摘自

http://hengch.blog.163.com/blog/static/107800672009029104144323/

 

 

80386共提供7種類型的32位寄存器，如下：

1. 通用寄存器(EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、ESI、EDI)
2. 段寄存器(CS、SS、DS、ES、FS、GS)
3. 指令指針寄存器和標誌寄存器(EIP、EFLAGS)
4. 系統表寄存器(GDTR、IDTR、LDTR、TR)
5. 控制寄存器(CR0、CR1、CR2、CR3、CR4)
6. 調試寄存器(DR0、DR1、DR2、DR3、DR4、DR5、DR6、DR7)
7. 測試寄存器(TR6、TR7)

    其中後三類寄存器是80386以後的CPU纔有的，以前的CPU完全沒有。

    下圖是前四類寄存器的大致示意圖：

    本文只對這些寄存器做一個大致的介紹，其中有些特殊且有較大意義的寄存器，會另文介紹。

一、通用寄存器

    一組八個通用寄存器是對8086/80286通用寄存器的32位擴展，其用法與在8086/80286中相似，支持8位、16位、32位操作，進行32位操作是，寄存器名稱前面冠以“E”。

    這八個寄存器的名稱如下：EAX（累加器）、EBX（基址）、ECX（計數）、EDX（數據）、ESP（棧指針）、EBP（基址指針）、ESI（源變址）、EDI（目的變址）。

二、段寄存器

    80386比8086/80286增加了兩個段寄存器FS、GS。

    除CS支持代碼段，SS支持堆棧段外，程序員可以利用其它的所有段寄存器支持數據段。

    每個段寄存器對應這一個64位高速緩存器（有些資料中說有96位，但值使用其中的64位），這在8086中是沒有的（在80286中爲48位），它的具體作用將另文介紹。

三、指令指針寄存器和標誌寄存器

    指令寄存器EIP是對8086/80286指令指針寄存器的32位擴展，它包含着待執行指令的32位偏移量，該值總是相對CS所代表的段基址而言的。

    標誌寄存器也是對8086/80286標誌寄存器的32位擴展，其定義如下（這張圖截自Intel關於IA32架構的最新文檔）：

    其中OF、DF、IF、TF、SF、ZF、AF、PF和CF在8086中就已經存在，請參考相關資料。

    IOPL（I/O Privilege Level）是從80286開始出現的，佔2個bit表示I/O特權級，如果當前特權級小於或等於IOPL，則可以執行I/O操作，否則將出現一個保護性異常。IOPL只能由特權級爲0的程序或任務來修改。

    NT（Nested Task）也是從80286開始出現的，表示嵌套任務，用於控制中斷返回指令IRET，當NT=0時，用堆棧中保存的值恢復EFLAGS、CS和EIP，從而實現返回；若NT=1，則通過任務切換實現中斷返回。

    下面的標誌位是80386以後的CPU纔有的標誌。

    VM（Virtual-8086 mode）表示虛擬8086模式，如果VM被置位且80386已出於保護模式下，則CPU切換到虛擬8086模式，此時，對段的任何操作又回到了實模式，如同在8086下運行一樣。

    RF（Resume flag）表示恢復標誌(也叫重啓標誌)，與調試寄存器一起用於斷點和單步操作，當RF＝1 時，下一條指令的任何調試故障將被忽略，不產生異常中斷。當RF=0時，調試故障被接受，併產生異常中斷。用於調試失敗後，強迫程序恢復執行，在成功執行每條指令後，RF自動復位。

    AC（Alignment check）表示對齊檢查。這個標誌是80486以後的CPU纔有的。當AC=1且CR0中的AM=1時，允許存儲器進行地址對齊檢查，若發現地址未對齊，將產生異常中斷。所謂地址對齊，是指當訪問一個字（2字節長）時，其地址必須是偶數（2的倍數），當訪問雙字（4字節長）時，其地址必須是4的倍數。

    但是隻有運行在特權級3的程序才執行地址對齊檢查，特權級0、1、2忽略該標誌。

    VIF（Virtual interrupt flag）表示虛擬中斷標誌。以下的三個標誌是Pentium以後的CPU纔有的。當VIF=1時，可以使用虛擬中斷，當VIF=0時不能使用虛擬中斷。該標誌要和下面的VIP和CR4中的VME配合使用。

    VIP（Virtual interrupt pending flag）表示虛擬中斷掛起標誌。當VIP=1時，VIF有效，VIP=0時VIF無效。

    ID（Identification flag）表示鑑別標誌。該標誌用來只是Pentium CPU是否支持CPUID的指令。

    實際上，如果不編寫操作系統，大部分標誌可能很難得用到一次，有個印象就好了，用到了再去查不遲。

四、系統表寄存器

    80386 中有4個系統表寄存器，分別是全局描述符表寄存器(GDTR)、中斷描述符表寄存器(IDTR)、局部描述符表寄存器(LDTR)、任務狀態寄存器(TR)。系統表寄存器用於在保護方式下，管理4 個系統表，由於只能在保護方式下使用，因此又稱爲保護方式寄存器。有關描述附表的問題，另文介紹。

五、控制寄存器

    80386的控制寄存器有4個，其中CR1保留以後使用，從Pentium開始，又增加了一個CR4，CR0的低16位包含了與80286的MSW一致的位定義，保持了和80286的兼容，同時也兼容了從80286開始的兩條指令LMSW/SMSW，其基本定義如下：

    CR0中各位含義如下：

• PE（Protection Enable）保護模式允許，PE=0表示CPU工作在實模式，PE=1表示CPU工作在保護模式
• MP（Monitor Coprocessor）監控協處理器，MP=1表示協處理器在工作，MP=0表示協處理器未工作。
• EM（Emulation）協處理器仿真，當MP=0，EM=1時，表示正在使用軟件仿真協處理器工作。
• TS（Task Switched）任務轉換，每當進行任務轉換時，TS=1，任務轉換完畢，TS=0。TS=1時不允許協處理器工作。

    以上4個定義從80286開始，下面的2個定義從80386開始存在

• ET（Extension Type）處理器擴展類型，反映了所擴展的協處理器的類型，ET=0爲80287，ET=1爲80387。
• PG（Paging）頁式管理機制使能，PG=1時頁式管理機制工作，否則不工作。

    從80486開始又增加了如下位定義。

• NE（Numeric Error）數值異常中斷控制，NE=1時，如果運行協處理器指令發生故障，則用異常中斷處理，NE=0時，則用外部中斷處理。
• WP（Write Protect）寫保護，當WP=1時，對只讀頁面進行寫操作會產生頁故障。
• AM（Alignment Mask）對齊標誌，AM=1時，允許對齊檢查，AM=0時不允許，關於對齊，在EFLAGS的AC標誌時介紹過，在80486以後的CPU中，CPU進行對齊檢查需要滿足三個條件，AC=1、AM=1並且當前特權級爲3。
• NW（Not Write-through）和CD（Cache Disable），這兩個標誌都是用來控制CPU內部的CACHE的，當NW=0且CD=0時，CACHE使能，其它的組合說起來比較複雜，如果有讀者真的想搞清楚的話，可以參閱《Intel? 64 and IA-32 Architectures》中的“Software Developer’s Manual Volume 3A”這一冊，在第10章對這兩個標誌的各種組合有比較詳細的說明。

    CR1保留未用；CR2存放引起頁故障的線性地址，只有在PG=1時，CR2纔有效，當頁故障處理程序被激活時，壓入頁故障處理程序堆棧中的錯誤碼提供頁故障的狀態信息。
    CR3的bit12--bit31存放頁目錄的基地址，因爲也目錄總是頁對齊的（一頁爲4K），所以頁目錄基地址從bit12開始就可以了。只有當CR0中的PG=1時，CR3的頁目錄基地址纔有效。
    從80486開始，在CR3的低12位定義了兩個控制位，如下：

• PCD（Page-level Cache Disable）頁CACHE禁止，當PCD=0時，頁目錄表進行高速緩存，PCD=1時，不進行高速緩存；該位控制PCD引腳控制外部CACHE工作還是不工作。
• PWT（Page-level Writes Transparent），CACHE的寫入分爲透寫（Write-Through）和回寫（Write-Back）,80486以上的CPU內部的CACHE都是透寫的，但對外部CACHE而言，允許某些頁是回寫的，而另一些頁是透寫的，當PWT=1時，外部CACHE對頁目錄進行透寫，否則進行回寫；此位驅動PWT引腳以控制外部CACHE是透寫還是回寫。

    CR4是從Pentium CPU開始出現的。

• VME（Virtual-8086 Mode Extensions）虛擬8086方式擴展，VME=1允許使用虛擬8086擴展模式，否則只能使用80386/80486的虛擬8086模式。
• PVI（Protected-Mode Virtual Interrupts）保護模式虛擬中斷，PVI=1時，在保護模式下支持虛擬中斷標誌VIF(EFLAGS中)，PVI=0則不支持虛擬中斷標誌。
• TSD（Time Stamp Disable）時間戳禁止，TSD=1時，允許在特權級爲0的程序中執行RDTSC指令（讀時間戳計數指令），TSD=0時，允許任何特權級執行RDTSC指令。
• DE（Debugging Extensions）調試擴展，
• PSE（Page Size Extensions）頁大小擴展，PSE=1時，頁大小可以擴展到2M或4M，PSE=0時，頁大小隻能是4K.
• PAE（Physical Address Extension）物理地址擴展，PAE=1時，頁物理地址可以擴展到36bits以上，PAE=0時只能用32bits的物理地址。
• MCE（Machine-Check Enable）硬件檢查使能，Pentium以後的CPU有一種硬件檢測功能，MCE=1時允許使用該功能。
• PGE（Page Global Enable）全局頁使能，PGE=1時，允許使用全局頁，PGE=0時禁止使用全局頁。
• PCE（Performance-Monitoring Counter Enable）性能監視計數器使能，當PCE=1時，允許在任何保護級下執行RDPMC指令，PCE=0時，只有特權級0的程序可以執行RDPMC指令。
  
• OSFXSR（Operating System Support for FXSAVE and FXRSTOR instructions）
• OSXMMEXCPT（Operating System Support for Unmasked SIMD Floating-Point Exceptions）
• VMXE（VMX-Enable Bit）VMX使能位，VMXE=1時，允許VMX操作。
• SMXE（SMX-Enable Bit）SMX使能位，SMXE=1時，允許SMX操作。
• OSXSAVE（XSAVE and Processor Extended States-Enable Bit）  

六、調試寄存器

    一共有8個調試寄存器DR0--DR7，DR0-DR3可以分別設置4個斷點的線性地址，DR4-DR5保留未用，DR6是斷點狀態寄存器，DR7是斷點控制寄存器（包括斷點類型、斷點長度，斷點開放/禁止）

七、測試寄存器

    一共有8個測試寄存器TR0--TR7，TR0-TR2保留，TR3-TR5用作CACHE測試，TR6爲命令測試寄存器，TR7爲測試數據寄存器。