《微處理器》PPT課件

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1、第二章 微處理器,,,2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2.2 寄存器組 2.4 工作模式 2.5 中斷與異常 2.6 存儲(chǔ)管理 2.7 多任務(wù)與多處理 2.8 高速緩存 2.9 引腳和功能 2.10 總線周期,本章學(xué)習(xí)目標(biāo),80486各部件的功能和相互關(guān)系，Pentium在體系結(jié)構(gòu)上的新特點(diǎn)。 32位CPU的寄存器以及和16位CPU的區(qū)別。 在保護(hù)模式下中斷和異常。 在實(shí)模式、保護(hù)模式和虛擬8086模式下存儲(chǔ)管理。 任務(wù)設(shè)置，任務(wù)轉(zhuǎn)換過(guò)程及檢查的內(nèi)容。 80486和Pentium高速緩存的結(jié)構(gòu)和功能。 80486和Pentium引腳的功能及差別。 80486和Pentium主要總線周期時(shí)序、總線狀態(tài)變化及區(qū)

2、別。,2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu),2.1.1 80486的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2.1.1 Pentium的內(nèi)部結(jié)構(gòu),2.1.1 80486的內(nèi)部結(jié)構(gòu),2.1.1 80486的內(nèi)部結(jié)構(gòu),BIU：與芯片總線、指令預(yù)取部件、Cache部 件相連，執(zhí)行總線訪問(wèn)請(qǐng)求。 讀：預(yù)取指令、讀內(nèi)存、Cache行填充 寫(xiě)：寫(xiě)M和I/O、Cache通寫(xiě)寫(xiě)內(nèi)存；寫(xiě)緩沖(432b)。 指令預(yù)?。嚎偩€空閑時(shí)產(chǎn)生存儲(chǔ)器地址向Cache或通過(guò)BIU向內(nèi)存取16B代碼命中Cache放入32B的指令隊(duì)列中產(chǎn)生預(yù)取周期 跳轉(zhuǎn)、中斷、調(diào)子程時(shí)清空預(yù)取隊(duì)列。,2.1.1 80486的內(nèi)部結(jié)構(gòu),指令譯碼：從指令預(yù)取隊(duì)列取機(jī)器碼轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)。 兩步譯碼：

3、指令執(zhí)行時(shí)要訪存，產(chǎn)生 總線 周期取存儲(chǔ)器操作數(shù)。 指令譯碼由機(jī)器碼產(chǎn)生對(duì)其 它處理部件的控制信號(hào)。 控制部件：對(duì)整數(shù)、浮點(diǎn)運(yùn)算和分段部件控制 整數(shù)部件：9個(gè)32位REG、1個(gè)64位桶形移位 器、ALU 。 1T內(nèi)完成整數(shù)傳送、加減運(yùn)算和邏輯操作,分段和分頁(yè)部件：進(jìn)行存儲(chǔ)器保護(hù)和虛存管理,FPU：增強(qiáng)80387,Cache：L1Cache：8KB 數(shù)據(jù)和指令Cache。 L2Cache：128KB256KB,邏輯地址,,分段,段Cache,2.1.1 80486的內(nèi)部結(jié)構(gòu),線性地址,,分頁(yè),TLB,物理地址,CPU,,64位,FPU,,64位,Cache,MEM,BIU,

4、,32位,,32位,成組傳送,L1Cache,,128b,命中,預(yù)取部件,,不命中,內(nèi)存,,,,未命中行填充,2.1.2 Pentium的內(nèi)部結(jié)構(gòu),2.1.2 Pentium的內(nèi)部結(jié)構(gòu),8KB的指令Cache和8KB數(shù)據(jù)Cache 各自的TLB Cache和BIU的DB是64位 支持突發(fā)式總線周期和流水線總線周期,1. 哈佛結(jié)構(gòu)的Cache,預(yù)取順序請(qǐng)求 預(yù)取B1 線性預(yù)取 無(wú)分支 BTB預(yù)測(cè) 有分支 動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)算法 預(yù)取B2 預(yù)取分支后指令,2.1.2 Pentium的內(nèi)部結(jié)構(gòu),,,,,,,,,,,,,,記錄分支地址,,,,,,一 個(gè) 工 作,從Cache或 內(nèi)

5、存預(yù)取指令,2. BTB和預(yù)取B,2.1.2 Pentium的內(nèi)部結(jié)構(gòu),2. BTB和預(yù)取B,預(yù)取順序請(qǐng)求,,預(yù)取B1,,BTB預(yù)測(cè),,動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)算法,無(wú)分支,,有分支,,,,,線性預(yù)取,,,,預(yù)取分支后指令,預(yù)取B2,,,,,,紀(jì)錄分支地址,分支指令,2.1.2 Pentium的內(nèi)部結(jié)構(gòu),指令 控制信號(hào) 預(yù)取B 指令譯碼器 CU IU、FPU 微碼 控制ROM IU（U、V流水線） 操作序列,,,,,,,,,3. 指令譯碼、控制ROM和CU,2.1.2 Pentium的內(nèi)部結(jié)構(gòu),4. 超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)IU 超標(biāo)量處

6、理機(jī)：1T內(nèi)同時(shí)發(fā)射多條指令，資源重復(fù)，空間并行，提高指令執(zhí)行的平均速度。 超流水線處理器：1T內(nèi)分時(shí)發(fā)射多條指令，時(shí)間重迭，時(shí)間并行，提高指令執(zhí)行的平均執(zhí)行速度桶形移位器。 U流水線：地址生成、REG、ALU、數(shù)據(jù)Cache接口；整數(shù)或浮點(diǎn)指令/1T共享。 V流水線：地址生成、REG、ALU、數(shù)據(jù)Cache接口；簡(jiǎn)單整數(shù)，F(xiàn)XCH/1T 5. 流水線式FPU 組成：控制器、 REGS 、加法器、乘法器、除法器、80位寬通道 速度：8級(jí)流水線，每T完成12個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算，快80486十倍以上,2.2 寄存器組,通用寄存器從16位 32位。 段寄存器仍為16位，增加2個(gè)：FS、GS； 每

7、個(gè)段寄存器都有一個(gè)描述符寄存器。 32位EIP和EFLAGS。 增加了CR、DR、TR、系統(tǒng)地址寄存器和 Pentium的專(zhuān)用模型寄存器。,,2.2.1 通用寄存器,2.2.2 段寄存器和描述符寄存器,2.2.3 指令指針,IP：16位操作方式：實(shí)地址模式、虛擬8086模式。 EIP：32位操作方式：保護(hù)模式。 (E)IP保存下一條將要執(zhí)行的指令相對(duì)于段基址的偏移量。,2.2.4 標(biāo)志寄存器EFLAGS,32位中位1為1，位31位22，位15，位5，位3為0。 其它16位分為狀態(tài)標(biāo)志，控制標(biāo)志（DF）和系統(tǒng)標(biāo)志。 21 20 19 18 17 16 14 1312 11 10 9 8 7 6

8、4 2 0,2.2.5 控制寄存器,2.2.5 控制寄存器,MOV CRX，r32; MOV r32，CRX 1. CR0 控制或指示用于整個(gè)系統(tǒng)條件的標(biāo)志，低16位為MSW。 0 PE：保護(hù)模式允許 PE1 系統(tǒng)在保護(hù)模式下工作 PE0 系統(tǒng)在實(shí)地址模式工作,2.2.5 控制寄存器,1 MP：監(jiān)視協(xié)處理器 MP1并且TS1，WAIT指令發(fā)生異常7：協(xié)處理器不可用Fault。 2 EM：仿真協(xié)處理器（80386用80486以上FPU在片內(nèi)）。 系統(tǒng)有FPU：EM0，MP1 系統(tǒng)無(wú)FPU：EM1，MP0 遇到ESC前綴的FDU指令，發(fā)生異常7。異常7程序：模擬ESC指令在無(wú)FPU時(shí)

9、執(zhí)行協(xié)處理器。 3 TS：任務(wù)轉(zhuǎn)換。任務(wù)切換完成，CPU自動(dòng)把TS置1。 若MP1，在遇到FPU opcode或Wait指令可正常工作。 任務(wù)轉(zhuǎn)換時(shí)未切換FPU的運(yùn)行狀態(tài)，只是在新任務(wù)需要FPU時(shí)才進(jìn)行切換。,2.2.5 控制寄存器,4 ET：協(xié)處理器類(lèi)型（僅對(duì)80386） ET1，F(xiàn)PU為與80387兼容的32位FPU。 ET0，F(xiàn)PU為與80386兼容的32位FPU。 上電時(shí)檢測(cè)80387的 引腳，設(shè)置ET。 軟件設(shè)置ET。 31 PG：頁(yè)管理使能 PG1 分頁(yè)存儲(chǔ)管理 線性地址 頁(yè)變換 物理地址。 PG0 無(wú)分頁(yè)管理 線性地址 物理地址。,,,,,2.2.5 控

10、制寄存器,以下各位對(duì)80486/Pentium有效 5 NE：數(shù)據(jù)錯(cuò)誤異常控制位 NE1 數(shù)字錯(cuò)誤引起異常16，實(shí)現(xiàn)與80386兼容的數(shù)字異。 NE0 0，忽略數(shù)字異常。 1，CPU停止工作，等待由 。 產(chǎn)生的中斷模擬8087/80387的 。 16 WP：寫(xiě)保護(hù) WP1 核心代碼不能對(duì)用戶級(jí)頁(yè)面進(jìn)行改寫(xiě)。 WP0 核心代碼能夠?qū)τ脩艏?jí)只讀頁(yè)進(jìn)行改寫(xiě)。,,2.2.5 控制寄存器,18 AM：對(duì)齊標(biāo)志控制位 AM1 允許對(duì)齊檢查 CPU對(duì)齊檢查，非對(duì)齊 EFLAGS的AC1 時(shí)，要產(chǎn)生異常17， CPL3的MEM操作 對(duì)齊檢查異常。 29 不通寫(xiě)

11、位 NW（Not Writethrough） NW0：允許通寫(xiě)，既寫(xiě)Cache，又寫(xiě)內(nèi)存。 NW1，不許通寫(xiě)（此時(shí)CD1，Cache不使 能）。,,2.2.5 控制寄存器,30 CD：Cache不使能。 CD0，Cache使能。 CD1，Cache作廢 訪問(wèn)Cache未命中，則不填充Cache。 訪問(wèn)Cache命中，Cache仍可工作。 完全使Cache停止工作，要刷新Cache。 CD0，NW0，Cache才能正常工作，產(chǎn)生Cache的有效周期。 2. CR2：頁(yè)故障的線性地址。 CR0中PG1時(shí)CR2才有效 某頁(yè)不在內(nèi)存中，頁(yè)轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生分頁(yè)錯(cuò)誤，這是CPU將缺頁(yè)的

12、線性地址保存在CR2中。,,2.2.5 控制寄存器,3. CR3：頁(yè)目錄表基址及頁(yè)級(jí)外Cache使能和寫(xiě)屬性。CR0中PG1時(shí)CR3才有效。 位4：頁(yè)外Cache不使能PCD位，控制使外部頁(yè)Cache是否工作的引腳PCD。 PCD1，對(duì)頁(yè)目錄不進(jìn)行外部高速緩存。 PCD0，對(duì)頁(yè)目錄進(jìn)行外部高速緩存。 PCD位驅(qū)動(dòng)CPUPCD引腳控制外部Cache工作。 位3：頁(yè)通寫(xiě)位PWT。 PWT1，外部Cache對(duì)頁(yè)目錄通寫(xiě)，PWT0，回寫(xiě)。 PWT位驅(qū)動(dòng)CPUPWT引腳控制外部Cache工作 位31位12：當(dāng)前任務(wù)的頁(yè)目錄表基址。,2.2.5 控制寄存器,4. CR4：Pentium擴(kuò)充，位31位

13、7保留。 0 VME：虛擬8086模式擴(kuò)充。 VME=1，允許虛擬8086模式擴(kuò)充，即允許虛擬8086中斷，在VM8086下，VME=1，支持VIF。 1 PVI：保護(hù)模式虛擬中斷。 PVI=1，允許保護(hù)模式虛擬中斷。在保護(hù)模式下，VME=1，支持VIF。 2 TSD：禁止RDTSC指令，時(shí)間日期標(biāo)記禁止。 TSD=0，讀時(shí)間標(biāo)志計(jì)數(shù)器指令RDTSC可在任何特權(quán)級(jí)上執(zhí)行。 TSD =1，RDTSC僅在CPL=0的程序執(zhí)行，否則發(fā)生異常13，即RDTSC為特權(quán)指令。,2.2.5 控制寄存器,3 DE：允許調(diào)試擴(kuò)充（Debug Extensions）。 DE=1，允許支持I/O斷點(diǎn)，I/

14、O斷點(diǎn)有效。 4 PSE：允許頁(yè)面大小擴(kuò)充。 PSE=1，允許采用4MB、2MB頁(yè)。 5 PAE：允許物理地址擴(kuò)充。 PAE=1，允許采用32位以上物理地址，否則 只用232物理地址。 6 MCE：允許機(jī)器檢查異常。 MCE=1，允許機(jī)器檢查異常功能有效。,2.2.6 系統(tǒng)地址寄存器,2.2.7 調(diào)試寄存器DR,CPL=0的代碼段MOV DRx，r32 MOV r32，DRx 1. 斷點(diǎn)寄存器：DR0DR3 每個(gè)寄存器存放一個(gè)斷點(diǎn)的線性地址。 斷點(diǎn)的發(fā)生條件由DR7分別設(shè)定。 2. 調(diào)試控制：DR7 （1）4個(gè)斷點(diǎn)發(fā)生的條件和訪問(wèn)類(lèi)型。 （2）I/O斷點(diǎn)。 （3）精確斷點(diǎn)。

15、 （4）GD位使能由DR6.BD標(biāo)志的調(diào)試寄存器保護(hù)狀態(tài)。 GD位進(jìn)入調(diào)試異常處理程序時(shí)由CPU清0，這允許 處理程序任意訪問(wèn)調(diào)試寄存器。,2.2.7 調(diào)試寄存器DR,3. 調(diào)試狀態(tài)：DR6 （1）B3B0：在DR、LEN、R/W中的條件為真，Bi置1，即使斷 點(diǎn)未被G或者L允許，說(shuō)明斷點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生，不一定能夠進(jìn)入 調(diào)試異常程序。 （2）BD：下條指令將讀/寫(xiě)調(diào)試寄存器，而它們又被Intel在線仿 真器使用時(shí)置1，并發(fā)生異常1（一般檢測(cè)故障）。 （3）BS：為1表示異常1是由EFLAGS中TF1時(shí)單步陷阱引起的。 單步方式是最高優(yōu)先級(jí)的調(diào)試異常。當(dāng)BS1時(shí)，

16、任何其他 調(diào)試狀態(tài)位也能被置。 （4）BT：為1表示因轉(zhuǎn)換到一個(gè)TSS中T1的任務(wù)而發(fā)生的異 常1。DR7中沒(méi)有允許/不允許這種異常的位。僅受TSS中T位 使能。,2.2.7 調(diào)試寄存器DR,4. DR4和DR5 當(dāng)CR4.DE0時(shí)，Pentium用DR4和DR作為 DR6和DR7的別名寄存器。 當(dāng)CR4.DE1時(shí)，引用DR4和DR5將產(chǎn)生未定義的操作的異常。,2.2.8 測(cè)試寄存器,TR0：未定義。 TR1：奇偶校驗(yàn)?zāi)婕拇嫫鳌?TR2：指令Cache結(jié)束位。 TR3、TR4、TR5：Cache數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制測(cè)試寄存器。 TR6、TR7：TLB命令，數(shù)據(jù)測(cè)試寄存器。

17、,2.2.9 Pentium模型專(zhuān)用寄存器,控制：可測(cè)試性、執(zhí)行跟蹤、性能檢測(cè)、機(jī)器檢查錯(cuò)誤。 R/W：用MOV指令直接訪問(wèn)其中TR會(huì)發(fā)生異常6，使用指令 RDMSR和WRMSR。,2.4 工作模式,Intel的32位微處理器有三種工作模式： 實(shí)地址模式 保護(hù)模式 虛擬8086模式。,2.4.1 實(shí)地址模式,1. 實(shí)模式的復(fù)位進(jìn)入 RESET=15T 當(dāng) 復(fù)位：350T400T，控制ROM和大部分隨機(jī)邏輯 當(dāng) RESET=78T 自測(cè)試：220T，然后復(fù)位 且 Pentium INIT 或 80486 AHOLD 或 80386,,,,,,,,,,,,,,,,

18、2.4.1 實(shí)地址模式,寄存器的狀態(tài) EDX 80486： 00000400分級(jí)ID Pentium：00000500分級(jí)ID CR0,0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0,2.4.1 實(shí)地址模式,2. Pentium復(fù)位和自測(cè)試啟動(dòng) （1）Pentium的復(fù)位方式,2.4.1 實(shí)地址模式,（2）REGS的狀態(tài) 見(jiàn)表2.4 （3）引腳的狀態(tài) 高電平： 低電平：HLPA、BREQ、BP3、BP2、PRDY、IBT、IU、IV、BT3BT0 高阻抗：D3D0、DP7DP0 未定義：A31A3、AP、 、PM0/BP0、PM1

19、/BP1、W/ 、M/ 、PCD、PWT、 、TDO、SCYC,PCHK,,2.4.1 實(shí)地址模式,（4）內(nèi)部自測(cè)試 時(shí)間：220 組成：硬件自測(cè)試和微代碼自測(cè)試 方法：對(duì)Cache、TLB和BTB進(jìn)行兩項(xiàng)陣列測(cè)試：原碼和補(bǔ)碼。 常數(shù)ROM測(cè)試：使用微代碼增加不同常數(shù)，檢查結(jié)果值與存儲(chǔ)值是否相等。 復(fù)位結(jié)束時(shí)，程序從FFFFFFF0H開(kāi)始執(zhí)行， 段間調(diào)用/轉(zhuǎn)移指令時(shí)，轉(zhuǎn)到000FFFFFH以內(nèi)的地址。,2.4.2 保護(hù)模式,選擇符,,描述符,描述符的分類(lèi)：,,段描述符 系統(tǒng)控制描述符,,數(shù)據(jù)段描述符 代碼段描述符,,堆棧段描述符 一般數(shù)據(jù)段描述符,,系統(tǒng)描述符

20、門(mén)描述符,,任務(wù)狀態(tài)段描述符 特殊系統(tǒng)段描述符,,任務(wù)門(mén)描述符 調(diào)用門(mén)描述符 中斷門(mén)描述符 陷阱門(mén)描述符,,,,,,,,,2.4.2 保護(hù)模式,1. 選擇符 2. 段描述符：數(shù)組、把邏輯地址變換成物理地址，定義MEM用法，控制轉(zhuǎn)移，切換任務(wù),2.4.2 保護(hù)模式,（1）段基址：段起始的32位線性地址 （2）段限長(zhǎng)：20位限長(zhǎng)與G位共同計(jì)算 （3）G：G0 限長(zhǎng)單位為1B 限長(zhǎng)1MB 最大地址000FFFFFH。 G1 限長(zhǎng)單位為1P（4KB）限長(zhǎng)4GB 最大地址 FFFFFFFFH 表中20位段限長(zhǎng)值左移12位（即乘以212或1000H）加FFFH。 （4）D/B D 代碼

21、段：1 32位操作和尋址；0 16位操作和尋址。 B 數(shù)據(jù)段：1 32位數(shù)據(jù) ；0 16位數(shù)據(jù)。 堆棧段：1 32位堆棧操作，ESP ；0 16位堆棧操作，SP。 （5）訪問(wèn)權(quán)限：,2.4.2 保護(hù)模式,P 存在位：P1，段在內(nèi)存中；P0，段不在內(nèi)存中，訪問(wèn)該段引起異常。 DPL：描述符特權(quán)級(jí)，該段被訪問(wèn)的特權(quán)級(jí)，從0到3特權(quán)級(jí)降低。 S 描述符類(lèi)型： S1，代碼段，數(shù)據(jù)段，堆棧段。 S0，系統(tǒng)控制，TSS、LDT、 門(mén)描述符。 E 段可行性： E1，代碼段，可執(zhí)行；E0，數(shù)據(jù)段，不可執(zhí)行。,2.4.2 保護(hù)模式,ED/C和W/R 數(shù)據(jù)段：ED W ED：擴(kuò)展方向

22、 ED0 向上 偏移量段限長(zhǎng)。 W：可寫(xiě)性 W0 不可寫(xiě)；W1可寫(xiě) 代碼段：C R C（Confirming）：C1 要證實(shí)代碼段，訪問(wèn)和被訪問(wèn)特 權(quán)級(jí)不總是相同； C0 非證實(shí)代碼段，訪問(wèn)和被訪問(wèn)特 權(quán)級(jí)總是相同 A（Accessed）：訪問(wèn)過(guò) A1 段被訪問(wèn)過(guò)；A0 段未被訪問(wèn)過(guò),2.4.2 保護(hù)模式,3. 系統(tǒng)描述符（與門(mén)描述符一起包含在系統(tǒng)控制和描述符中） 段基址、段限長(zhǎng)、G位和段描述符相同 訪問(wèn)權(quán)限字節(jié)不都相同,2.4.2 保護(hù)模式,2.4.2 保護(hù)模式,4. 中斷描述符（又稱(chēng)門(mén)描述符）,2.4.2 保護(hù)模式,P 門(mén)描述符符的

23、有效性：P1，有效；P0，無(wú)效 DPL：描述符特權(quán)級(jí) TYPE：4，6，7 286調(diào)用門(mén)、中斷門(mén)、異常門(mén) C，E，F(xiàn) 32位調(diào)用門(mén)、中斷門(mén)、異常門(mén) 5 任務(wù)門(mén) 字計(jì)數(shù)：調(diào)子時(shí)，須從調(diào)用程序級(jí)堆?？截惖阶映碳?jí)堆棧去的參數(shù)個(gè)數(shù)（16/32棧分別指字/雙字個(gè)數(shù)）,2.4.2 保護(hù)模式,選擇符和偏移量 對(duì)中斷、異常、調(diào)用門(mén)表示服務(wù)程序或子程的首址。 對(duì)于任務(wù)門(mén)，偏移量無(wú)效，選擇符指向任務(wù)的TSS描述符。 TSSD時(shí)系統(tǒng)描述符：段線性基址、限長(zhǎng)和屬性 段線性基址和限長(zhǎng)確定TSS的位置和大小 中斷，異常，調(diào)用門(mén)中的選擇符選中某一個(gè)代碼段描述符代碼段D中的32位線性基 址門(mén)D中的32位偏移

24、量形成例程或子程的首地址。,2.4.2 保護(hù)模式,5. 描述符表,2.4.2 保護(hù)模式,2.4.2 保護(hù)模式,6. 保護(hù)：特權(quán)級(jí)保護(hù)、存儲(chǔ)器保護(hù)、OS保護(hù) （1）特權(quán)級(jí)保護(hù)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、控制轉(zhuǎn)移、指令集的限制，軟件之 間實(shí)現(xiàn)隔離。 （最高） PL0 PL1 PL2 PL3 （最低） OS內(nèi)核 系統(tǒng)服務(wù) OS擴(kuò)展 App 特權(quán)級(jí)低的程序 允許向外提取數(shù)據(jù) 調(diào)用特權(quán)級(jí)高的過(guò)程,,,2.4.2 保護(hù)模式,特權(quán)級(jí) 32位微處理器采用4級(jí)特權(quán)級(jí)，操作系統(tǒng)為0級(jí)，系統(tǒng)服務(wù)為1級(jí)，操作系統(tǒng)擴(kuò)展為2級(jí)，用戶程序?yàn)?級(jí)。 CPL

25、：當(dāng)前代碼段具有的訪問(wèn)特權(quán)級(jí)，CS中最低2位。通過(guò)描述符轉(zhuǎn)移控制到新代碼段時(shí)，CPL改變。CPL0的任務(wù)能夠訪問(wèn)GDT及任務(wù)LDT中描述符對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)段。 DPL：段被訪問(wèn)特權(quán)級(jí) 非證實(shí)代碼段 CPLDPL。 DPL0或LDT中描述符，CPL0的程序可訪問(wèn)。 DPL3，所有程序都可以訪問(wèn)。,2.4.2 保護(hù)模式,RPL：選擇符的特權(quán)級(jí)，指向同一描述符的選擇 符可有不 同RPL對(duì)描述符指向段的訪問(wèn)須RPLIOPL時(shí)，執(zhí)行I/O敏感執(zhí)令產(chǎn)生保 護(hù)異常13。 IN、OUT、INS、OUTS、STI、CLI和 LOCK前綴 EPL：有效特權(quán)級(jí) EPLMAX（CPL

26、、RPL）,特權(quán)級(jí)檢查的原則 數(shù)據(jù)段：只允許同級(jí)和高級(jí)的代碼段訪問(wèn)。 代碼段：只允許向同級(jí)和更高級(jí)別的代碼段轉(zhuǎn)移控制。 堆棧段：其特權(quán)級(jí)和執(zhí)行代碼段相同，控制轉(zhuǎn)移時(shí)隨之變化 。 特權(quán)級(jí)檢查的規(guī)則 a. 讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)類(lèi)段規(guī)則 現(xiàn)行代碼段堆棧操作： CPLDPL 現(xiàn)行代碼段R/W數(shù)據(jù)段：CPL<=DPL，否則發(fā)生異常13。,2.4.2 保護(hù)模式,2.4.2 保護(hù)模式,b. 數(shù)據(jù)類(lèi)段寄存器裝入規(guī)則 裝入堆棧段選擇符：CPLRPLDPL，否則發(fā)生異常12。 裝入數(shù)據(jù)類(lèi)段選擇符：EPL=中斷/異常處理程序DPL 異常：異常門(mén)的DPL=CPL 通過(guò)門(mén)的段間調(diào)用：EPL=代碼段的DPL 任務(wù)

27、轉(zhuǎn)換時(shí)，轉(zhuǎn)入任務(wù)的CPL<=任務(wù)門(mén)的DPL JMP：只能轉(zhuǎn)移到與CPL具有相同級(jí)的段 CALL：使用調(diào)用門(mén)把控制轉(zhuǎn)移到更高級(jí)代碼段 RET：把控制轉(zhuǎn)移到更低級(jí)代碼段,2.4.2 保護(hù)模式,d. IOPL規(guī)則 IO敏感指令：IN、OUT、INS、OUTS、STI、CLI和LOCK前綴 CPL<=IOPL TSS的I/O位圖允許，否則將發(fā)生異常13。 e. 特權(quán)級(jí)指令使用規(guī)則 僅CPL0的代碼段才能執(zhí)行如下特權(quán)指令，否則發(fā)生異常13。 CLTS、HLT、LGDT、LIDT、LLDT、LMSW、LTR； 涉及CR、DR、TR的MOV指令，RDMSR、WRMSR f. 頁(yè)訪問(wèn)規(guī)則 違反頁(yè)表項(xiàng)、頁(yè)

28、目錄項(xiàng)規(guī)定權(quán)限或訪問(wèn)不存在頁(yè)將發(fā)生異常14。,2.4.2 保護(hù)模式,（2）存儲(chǔ)器保護(hù) MOV、POP、LDS、LES、LFS、LGS、LSS指令將選擇符裝入DS、ES、FS、GS、SS； JMP、CALL、RET、IRET指令進(jìn)行段間轉(zhuǎn)移、更新CS時(shí) 保護(hù)檢查：段類(lèi)型、R/W權(quán)限、段限長(zhǎng)、存在性。 段類(lèi)型檢查 代碼段選擇符 CS 可寫(xiě)數(shù)據(jù)段選擇符 SS 可讀代碼段/數(shù)據(jù)段選擇符 DS、ES、GS、FS 讀寫(xiě)權(quán)限檢查 代碼段/只讀數(shù)據(jù)段不能寫(xiě) 不可讀代碼段不能讀 違反讀寫(xiě)權(quán)限將發(fā)生異常13,,,,2.4.2 保護(hù)模式,段限長(zhǎng)檢查 對(duì)數(shù)據(jù)段和代碼段，ED0，向上擴(kuò)

29、展，偏移量段限長(zhǎng)； 堆棧段越限發(fā)生異常12，其它數(shù)據(jù)段越限發(fā)生異常13。 存在性檢查 將P0的段選擇符 SS，發(fā)生異常12； 將P0的段選擇符 其它段REG/中斷門(mén)/異常門(mén)， 發(fā)生異常11； 訪問(wèn)的段無(wú)效（段選擇符為全0）時(shí)，發(fā)生異常13； 訪問(wèn)的頁(yè)不在內(nèi)存時(shí)，發(fā)生異常14。,,,2.4.2 保護(hù)模式,（3）對(duì)OS的保護(hù) 子程在要證實(shí)代碼段，用戶程序調(diào)用它時(shí)，CPL不變化。 有效保護(hù)OS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 子程在非證實(shí)代碼段，用戶通過(guò)調(diào)用門(mén)進(jìn)入子程時(shí)，CPL將提高到非證實(shí)代碼段的0級(jí)。用戶程序可以破壞未加保護(hù)的OS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，子程可以防止用戶程序?qū)S的破壞。 PROC FAR

30、MOV EBP，ESP EBP0處是EIP的值 MOV AX，WORD PTREBP4 ；0級(jí)堆棧中斷點(diǎn)處CS值取調(diào)用者的CPL ARPL SELECTOR-PARM，AX ；CPL與用戶傳給OS的指針選擇符RPL比較，使指針選擇符的RPL為兩者特權(quán)級(jí)低者 用戶傳給OS的指針中選擇符RPL與調(diào)用者段選擇符中的CPL比較取特權(quán)級(jí)低者。,2.4.2 保護(hù)模式,（4）保護(hù)模式下的轉(zhuǎn)子與返回 無(wú)任務(wù)轉(zhuǎn)換時(shí)段間調(diào)用的轉(zhuǎn)子與返回 CALL 段值：偏移量 子程的段選擇符值 段描述符中C 代碼段證實(shí)性 子程在證實(shí)代碼段，調(diào)子不改變CPL，段選擇符 子程段描述符

31、 子程在非證實(shí)代碼段，若CPLDPL，段選擇符 子程段描述符 若CPLDPL，段選擇符 調(diào)用門(mén)描述符 此時(shí)要進(jìn)行系列保護(hù)屬性檢查：調(diào)用非證實(shí)代碼段中更高級(jí)子程 序。,,,,,,,2.4.2 保護(hù)模式,現(xiàn)行程序CS,16位可見(jiàn)選擇符,不可見(jiàn)描述符 CPL,,,CALL選擇符,目標(biāo)段選擇符 RPL,,選擇符裝入CS并指向調(diào)用門(mén)（在GDT或LDT中）,調(diào)用門(mén)描述符,可執(zhí)行段描述符,Selector Offset Offset DPL Count,,,,調(diào)用門(mén)是實(shí)現(xiàn)任務(wù)從CPL級(jí)到更高級(jí)的 間接控制轉(zhuǎn)換，它的目標(biāo)選擇符又裝入 CS，指向調(diào)用的代碼,Base Limit

32、Base Limit DPL Base,段描述符，它又被緩存。它的基址和 調(diào)用門(mén)中偏移量定位被調(diào)用的子程 入口地址,,,,,2.4.2 保護(hù)模式,調(diào)用門(mén)檢查 調(diào)用程序 CPL<=調(diào)用門(mén)DPL。 調(diào)用程序選擇符中RPL<=調(diào)用門(mén)DPL，否則發(fā)生異常13。 調(diào)用門(mén)中P1，否則發(fā)生異常11。 調(diào)用門(mén)不越限，否則發(fā)生異常13。 子程代碼段檢查，不合法時(shí)發(fā)生異常13。 選擇符非全0 描述符不越限 可執(zhí)行代碼段 選擇符中RPL<=DPL 子程的首址中新EIP不越限,2.4.2 保護(hù)模式,子程序堆棧段檢查 下列條件都要符合，否則發(fā)生異常10。 選擇符非全0；選擇符中RPL子程代碼段D

33、PL； 堆棧段DPL子程代碼段DPL；堆棧段為可寫(xiě)數(shù)據(jù)段。 下列條件都要符合，否則會(huì)發(fā)生異常12。 描述不越限；堆棧段須存在； 堆棧段地址空間=參數(shù)個(gè)數(shù)416B（32位模式） =參數(shù)個(gè)數(shù)48B（16位模式） CALL指令的堆棧操作 從TSS中取具有子程特權(quán)級(jí)的堆指針 SS：ESP,,2.4.2 保護(hù)模式,壓調(diào)用程序的： 全0 舊棧SS選擇符 舊棧ESP值 壓調(diào)用門(mén)中的： 參數(shù)1 “字計(jì)數(shù)” 。。。 參數(shù)M 壓調(diào)用程序的： 全0 斷點(diǎn)CS選擇符 斷點(diǎn)EIP 從調(diào)用門(mén)中取子程所在段選擇符 CS 子程

34、代碼段中DPL CS中CPL 子程代碼段偏移量 EIP RET m中m使參數(shù)個(gè)數(shù)的4倍,,,,,,,2.4.2 保護(hù)模式,2.4.3 虛擬8086模式,1. 虛擬8086模式與實(shí)模式的區(qū)別 虛擬8086模式是保護(hù)模式，可運(yùn)行多個(gè)OS 實(shí)模式是整個(gè)CPU的工作模式，CPU相當(dāng)快速8086 虛擬8086模式下各段特權(quán)級(jí)為3，執(zhí)行特權(quán)指令發(fā)生異常13； LIDT，LGDT，LMSW，CLTS，HLT，INVD，WBINVD，INVLPG及傳給CR、TR、 DR的MOV，RDMSR，WRMSR 都不能使用下列指令，否則發(fā)生異常6（非法操作碼） APRL，LAR，LSL，VERR，

35、VERW，STR，LTR，SLDT，LLST 在虛擬8086模式下，當(dāng)IOPL<3時(shí)，執(zhí)行I/O敏感指令發(fā)生異常13 CLI，STI，PUSHF，POPF，INT n，IRET，帶LOCK的指令 在虛擬8086模式下，IOPL3，當(dāng)I/O位圖不允許時(shí)，執(zhí)行I/O指令也發(fā)生異常13 IN，OUT，INS，OUTS 虛擬8086模式下，CR4.TSD0不允許執(zhí)行RDTSC，否則發(fā)生異常13,2.4.3 虛擬8086模式,2. 虛擬8086模式與保護(hù)模式的區(qū)別 （1）VM8086在形成20位線性地址與實(shí)模式一樣，不需要像保護(hù)模式那樣使用段描述符的基址和限長(zhǎng)及屬性 （2）各種描述表中不會(huì)有VM80

36、86的段描述符 3. 虛擬8086模式的進(jìn)入與退出 （1）32位CPU進(jìn)入虛擬8086模式 0級(jí)代碼段：EFLAGS.VM=1的堆棧映像，IRET把棧映像壓入EFLAGS和CS:IP。 任務(wù)轉(zhuǎn)換：32位新任務(wù)：EFLAGS.VM=1（在高位字b17中） TSS保存的值裝入段寄存器：段基址，限長(zhǎng)，屬性 （2）32位CPU退出虛擬8086模式 虛擬8086模式下的中斷/異常使CPU退出該模式：中斷/異常處理程序?yàn)?級(jí)保護(hù)模式代碼段，EFLAGS.VM = 0,,2.4.3 虛擬8086模式,任務(wù)轉(zhuǎn)換 32位新任務(wù)：TSS中相應(yīng)項(xiàng)裝入EFLAGS VM0，表明新任務(wù)已退出虛擬

37、8086模式,2.4.4 工作模式的轉(zhuǎn)換,1. 實(shí)模式 保護(hù)模式 建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和初始化GDTR，IDTR和TR CR0.PE1： MOV CR0，REG 進(jìn)入保護(hù)模式后：用CPL0的程序重裝段寄存器,,2.4.4 工作模式的轉(zhuǎn)換,2. 保護(hù)模式 實(shí)模式 CR0.PE0：MOV CR0，REG 保護(hù)模式下的分頁(yè)轉(zhuǎn)移過(guò)程 使線性地址、GDT，IDT映射到實(shí)模式；CR0.PG0；CR30， 清洗TLB 設(shè)CS段限長(zhǎng)為64KB，使GDT，IDT在1MB內(nèi) 選擇符裝入SS、DS、ES、FS、GS時(shí)，段基址任意，描述符 中限長(zhǎng)64KB G0，E0，W1，P1 CLI屏蔽INTR，外部屏蔽NM

38、I CR0.PE0 遠(yuǎn)程JMP跳轉(zhuǎn)到實(shí)模式 LIDT指令裝實(shí)模式下中斷向量表的基址和限長(zhǎng) STI開(kāi)中斷 實(shí)模式下的代碼裝段寄存器,,2.5 中斷與異常,在程序正常執(zhí)行過(guò)程中，為了處理外部事件和報(bào)告錯(cuò)誤或異常狀態(tài)而中止現(xiàn)行程序的運(yùn)行，將CPU的控制權(quán)轉(zhuǎn)向處理程序，待處理完以后再繼續(xù)執(zhí)行被中斷程序的過(guò)程稱(chēng)為中斷。 32位微處理器的中斷分為兩大類(lèi)：中斷（Interrupt)和 異常(Exception).,2.5.1 中斷與異常的類(lèi)型,中斷：由外部設(shè)備引起的異步事件（外中斷、硬 中斷） INTR：受TF影響（STI/CLI），由PIC接入 NMI：不受TF影響，處理器設(shè)有防止NMI的機(jī)制，

39、 系統(tǒng)可屏蔽，NMI服務(wù)程序由2號(hào)中斷描述 符確定,,,,2.5.1 中斷與異常的類(lèi)型,異常：指令執(zhí)行期間，處理機(jī)響應(yīng)檢測(cè)的某種狀態(tài)的同步事件 微處理器檢測(cè)的異常（內(nèi)中斷、軟中斷） Trap：出現(xiàn)異常的指令后邊界檢測(cè)，出現(xiàn)異常立即報(bào) 告，返回執(zhí)行下條指令。像INT n、INTO，單步. Fault：出現(xiàn)異常的指令前邊界檢測(cè)，異常處理后的返 回地址是引起異常指令，可以重啟動(dòng)。 Abort：出現(xiàn)異常的指令無(wú)須精確定位，無(wú)法重啟 動(dòng)，例如：將控制轉(zhuǎn)移到0號(hào)、10號(hào)、12號(hào)或13號(hào)異常時(shí)又發(fā)生一個(gè)異常， 為雙異常；硬件錯(cuò)。

40、 可編程的異常：INT 3、INTO、INT n、BOUND 指令引起異常、稱(chēng)為軟中斷，處理器當(dāng)作異常處理,,,,,,,,0 Divide Error 除法錯(cuò)異常 DIV or IDIV指令的除法為0，F(xiàn)ault 商太大使目標(biāo)寄存器容納不下。 入 棧是指令的段值和指針，0號(hào)中斷是除法指令的一部分。 1 Debug Exceptions 調(diào)試異常 排錯(cuò)異常 Fault：DR中的斷點(diǎn)與代碼段中指令地址一致時(shí)發(fā)生的調(diào)試異常。 Trap：?jiǎn)尾綀?zhí)行 數(shù)據(jù)斷點(diǎn)，I/O斷點(diǎn)，任務(wù)轉(zhuǎn)換斷點(diǎn)引起調(diào)試Trap。,2.5.2 32位CPU的中斷與異常,2 NMI 非屏蔽中斷，響應(yīng)時(shí)直接轉(zhuǎn)入INT 2

41、處理程序，不受IF影響。 3 INT3 Breakpoint Instruction Trap 單字節(jié)斷點(diǎn)指令 斷點(diǎn)指令的操作碼是單字節(jié)。 調(diào)試程序裝斷點(diǎn)：一條指令的第一個(gè)操作碼字節(jié)置換成斷點(diǎn)指令的操作碼（CCH）。 程序執(zhí)行到斷點(diǎn)處，INT3的執(zhí)行調(diào)用異常處理程序，返回地址應(yīng)是指向INT3指令后的指令的第一個(gè)字節(jié)，但處理程序應(yīng)該在返回時(shí)，把原被CCH置換出去的斷點(diǎn) 處指令的第一個(gè)操作碼字節(jié)再置換回來(lái)，以便斷點(diǎn)處的指令能夠執(zhí)行。 INT3的作用： 16位處理器中用于設(shè)置指令斷點(diǎn)； 32位CPU用調(diào)試寄存器設(shè)置指令斷點(diǎn)。 調(diào)用其它異常處理程序。

42、 設(shè)置比調(diào)試寄存器允許的更多的斷點(diǎn)。 置于開(kāi)發(fā)程序的源代碼中。,2.5.2 32位CPU的中斷與異常,4 INTO Overflow Trap 溢出中斷 溢出陷阱 OF1 INT 4 溢出中斷處理程序 INTO CPU要了解符號(hào)數(shù)的運(yùn)算是否發(fā)生了溢出 5 Bounds Check Fault 邊界檢查故障 執(zhí)行Bound指令的處理器發(fā)現(xiàn)操作數(shù)超越指令的界限 Bound r16,m16取指，訪存；Fault 頁(yè)故障。 有特殊格式的錯(cuò)誤碼 （1）CR0.PG=1,在線性地址轉(zhuǎn)換成物理地址時(shí)CPU檢測(cè)下列狀態(tài) 地址轉(zhuǎn)換所需的頁(yè)目錄項(xiàng)或頁(yè)表項(xiàng)中P

43、0，指示頁(yè)表或包含 操作數(shù)的頁(yè)不在物理存儲(chǔ)器 程序沒(méi)有足夠的特權(quán)訪問(wèn)指向的頁(yè) 用不適當(dāng)?shù)脑L問(wèn)類(lèi)型訪問(wèn)一內(nèi)存頁(yè) （2）頁(yè)級(jí)保護(hù)違反引起異常，這時(shí) 頁(yè)目錄項(xiàng)中訪問(wèn)位A1 頁(yè)表項(xiàng)中訪問(wèn)位A1時(shí)是沒(méi)有頁(yè)級(jí)保護(hù)違反,2.5.2 32位CPU的中斷與異常, 頁(yè)故障錯(cuò)誤碼在堆棧上 P0，頁(yè)Fault由頁(yè)不在內(nèi)存引起，P1，頁(yè)故障是由頁(yè)級(jí)保護(hù)違反引起 W/R0，F(xiàn)ault由R操作，W/R1，F(xiàn)ault由W操作 U/S0，CPU在SuperVisor（0，1，2級(jí)），U/S1，CPU在用戶級(jí) （3）用32位線性地址裝入CR2引起異常 異常處理程序能用此地址定位相應(yīng)的頁(yè)目錄項(xiàng)和

44、頁(yè)表項(xiàng)，在頁(yè)故障處理程 序執(zhí)行時(shí)發(fā)生了另一個(gè)頁(yè)故障，處理程序?qū)袰R2的內(nèi)容推向堆棧。 （4）頁(yè)故障是可以重新啟動(dòng)的異常，一旦引起頁(yè)故障的原因在處理程序中被排 除，即可由IRET返回，重新執(zhí)行產(chǎn)生過(guò)故障的指令。,2.5.2 32位CPU的中斷與異常,16 FloatingPoint Error CR0.NE=1，非屏蔽數(shù)的浮點(diǎn)異常將產(chǎn)生異常16。在執(zhí)行下一條非控制的的浮點(diǎn) 指令或WAIT指令。 CR0.NE=0 1 CPU在執(zhí)行下一條非控制浮點(diǎn)指令或WAIT指令前凍結(jié)系統(tǒng)外 部中斷（由響應(yīng) 引起的）帶出不管NE值，非屏蔽的數(shù)值

45、 異常而引起 0這時(shí)外部中斷能夠調(diào)用異常處理程序。 0，CPU將忽略數(shù)字異常。 數(shù)字異常處理的基本步驟 a.存FPU環(huán)境：控制、狀態(tài)和標(biāo)記字，操作數(shù)和指令指針。 b.清狀態(tài)字中的異常位。 c.如果是由于INTR、NMI、SMI異常屏蔽了中斷時(shí)使能它。 d.由存在環(huán)境中的狀態(tài)和控制字檢查標(biāo)識(shí)異常。 e.為糾正（rectify）異常進(jìn)行一些依賴(lài)系統(tǒng)的活動(dòng)。 f.返回被中斷的程序繼續(xù)正常執(zhí)行。,,,,2.5.2 32位CPU的中斷與異常,17 Alignment Check Fault （1）訪問(wèn)非對(duì)齊的操作數(shù)產(chǎn)生對(duì)齊檢查故障 地址能被2整除的

46、數(shù)據(jù)類(lèi)型：字、選擇符、32位段指針。 地址能被4整除的數(shù)據(jù)類(lèi)型：雙字、短實(shí)數(shù)、48位段指針、32位Flat指針、 48位偽描述符（描述符表基寄存器內(nèi)容的MEM映像）。 地址能被8整除的數(shù)據(jù)類(lèi)型：長(zhǎng)實(shí)數(shù)、TEMPREAL。 地址能被4或2（取決于操作數(shù)的尺度）的數(shù)據(jù)類(lèi)型。 FSTENV/FLDENV save area FSAVE/FRSTOR save area （2）對(duì)齊檢查的條件：CR0.AM=1；EFLAGS.AC=1；CPL3 存儲(chǔ)器引用（references）約定在CPL0，為段描述符裝入不會(huì)產(chǎn)生對(duì)齊檢查Fault，即使是在用戶模式下引起的存儲(chǔ)器引用。,

47、2.5.2 32位CPU的中斷與異常,18 Machine Check Fault Pentium處理器的模型專(zhuān)用寄存器產(chǎn)生的異常。 CPUID：當(dāng)EAX1時(shí)，執(zhí)行后，EDX（7） 機(jī)器檢查異常處理。 當(dāng)CR4.MCE=1,系統(tǒng)可執(zhí)行機(jī)器檢查異常處理。 Pentium中 輸入，當(dāng) <0，通知CPU發(fā)生了讀數(shù)據(jù)檢驗(yàn)錯(cuò)； 或 輸入，當(dāng) <0，通知CPU發(fā)生了總線周期錯(cuò)。 當(dāng)前總線周期地址 MSR00H：MCA 機(jī)器檢查地址R 當(dāng)前總線周期類(lèi)型 MSR01H：MCT 機(jī)器檢查類(lèi)型R 63 4 3 2 1 0 數(shù)據(jù)

48、鎖存到MCT：CHK1，讀MCT：CHK0 用RDMSR讀MCA和MCT EDX：EAX MSRECX MOV ECX,Imm; Imm代表寄存器編號(hào)，如00H，01H RDMSR,,,,Lock M/IO D/C W/R CHK,,2.5.2 32位CPU的中斷與異常,,,,,2.5.3中斷和異常的處理過(guò)程,,1、中斷檢測(cè)和響應(yīng) （1）外部中斷請(qǐng)求在指令后邊界檢測(cè)。 （2）Trap異常也在指令后邊界檢測(cè)。 （3）Fault異常在指令前邊界檢測(cè)。 2、中斷處理和服務(wù) 實(shí)地址模式下的中斷如圖：,2.5.3 中斷和異常的處理過(guò)程,2.5.4 實(shí)模式下的中斷和異常,32位微處理器運(yùn)行在

49、實(shí)地址下，可以響應(yīng)和處理異常0、1、3、4、5、6、7、8、9、12、13、16。,2.中斷向量表,位于內(nèi)存地址0000 : 0000開(kāi)始的1KB范圍內(nèi)。,按中斷類(lèi)型號(hào)順序存放中斷向量。,3.中斷向量指針,指向存放中斷向量地址第一字節(jié)的指針。,中斷向量指針=中斷類(lèi)型號(hào)4。,軟件中斷中自由中斷的中斷向量需用戶自己裝入。,1.中斷向量,對(duì)應(yīng)中斷類(lèi)型號(hào)的中斷服務(wù)程序入口地址。,每個(gè)中斷向量占4字節(jié)。,實(shí)模式下中斷向量表,2.5.5 保護(hù)模式下的中斷和異常,1、中斷的處理 （1）通過(guò)中斷門(mén)和異常門(mén)的中斷處理,中斷/異常：向量號(hào)8,。。。,中斷/異常 門(mén)描述符,。。。,。。。,代碼段描述符,CS段選擇符

50、,描述符高速緩存器,。。。,代碼段,,,,,,,,,,,,,,,,,,,門(mén)選擇符,段選擇符,段偏移量,段選擇符,段基址、段限長(zhǎng)、 訪問(wèn)權(quán)限,段基址,程序入口,段限長(zhǎng),,IDT,,GDT/ LDT,15,0,63,0,,,中斷/異常 門(mén)描述符,IDT,GDT/ LDT,代碼段描述符,,,CS段選擇符,,,描述符高速緩存器,,,,,,代碼段,代碼段,（2）中斷/異常后的堆棧結(jié)構(gòu),2.5.5 保護(hù)模式下的中斷和異常,（3）通過(guò)任務(wù)門(mén)的中斷處理,2.5.5 保護(hù)模式下的中斷和異常,中斷：向量號(hào)8,。。。,任務(wù) 門(mén)描述符,。。。,。。。,描述符,CS段選擇符,描述符高速緩存器,。。。,中斷任務(wù)的 ,,,

51、,,,,,,,,,,,,,,,門(mén)選擇符,TSS選擇符,TSS選擇符,TSS段基址、段限長(zhǎng),TSS段基址,TSS段限長(zhǎng),,IDT,,GDT,15,0,63,0,,,IDT,任務(wù) 門(mén)描述符,,,,GDT,描述符,,,CS段選擇符,,,描述符高速緩存器,,,中斷任務(wù)的 ,,,中斷任務(wù)的 ,2、特權(quán)級(jí)保護(hù) 通過(guò)中斷門(mén)或異常門(mén)的轉(zhuǎn)移控制，目標(biāo)代碼段DPL=現(xiàn)行代碼段CPL。 通過(guò)任務(wù)門(mén)的中斷不對(duì)目標(biāo)代碼段的特權(quán)級(jí)進(jìn)行檢查。 對(duì)INT N和INTO指令產(chǎn)生的中斷：門(mén)的DPL=現(xiàn)行代碼段CPL。 對(duì)于外部中斷和異常，不進(jìn)行門(mén)的特權(quán)級(jí)的檢查。,2.5.5 保護(hù)模式下的中斷和異常,優(yōu)點(diǎn)：中斷任務(wù)和被中斷任務(wù)完全

52、隔離。 缺點(diǎn)：中斷響應(yīng)過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)。,2.5.6 虛擬8086模式下的中斷和異常,（1）要求中斷和異常處理程序必須具有0級(jí)特權(quán)級(jí)。 （2）保存現(xiàn)場(chǎng)時(shí)壓入堆棧的內(nèi)容增多，按32位操作來(lái)保存現(xiàn)場(chǎng)。 （3）將EFLAGS寄存器內(nèi)容壓棧后將17位清0。 （4）執(zhí)行IRET時(shí)，檢測(cè)CPL的特權(quán)級(jí)。,2.6 存儲(chǔ)管理,三種工作模式下如何完成存儲(chǔ)管理？,2.6.1 實(shí)模式存儲(chǔ)管理,1. 物理地址的形成,2.6.1 實(shí)模式存儲(chǔ)管理,2. 段式存儲(chǔ)管理 CR0.PG=0：頁(yè)部件不工作，線性地址即物理地址。 段值16 相應(yīng)描述符的段基址（Base190） 段限長(zhǎng)：64KB，P1，G0，ED0 代碼段：C

53、PL0，R1，C0 其他段：DPL0，W1，數(shù)據(jù)段：ED0， FFFF 0000H偏移量 限長(zhǎng) 段基址 0000 堆棧段 ED1 段基址 FFFF 0000 限長(zhǎng)+1 偏移量 FFFFH,,,,,,。。,。。,2.6.2 保護(hù)模式存儲(chǔ)管理,CR0.PE=1，CPU處于保護(hù)模式。 存儲(chǔ)器的保護(hù)機(jī)制。 分段機(jī)制不同，引入虛存概念。 1. 段式存儲(chǔ)管理 （1）地址空間變換 虛擬（邏輯）存儲(chǔ)空間：21423224664TB 實(shí)模式：21624216220216,2.6.2 保護(hù)模式存儲(chǔ)管理,（2）虛擬地址到線性地址的變換,GDTR（TI=0）

54、/LDTR（TI=1）,,索引,TI,RPL,偏移量,,,,虛擬地址,,,,,,段描述符,,,,,,,,段基址,段限長(zhǎng),屬 址,段Cache （8B）,,,,索引8,,,,,,,線形地址,GDT/LDT基址,,,,,,,,,,,索引,TI,GDTR（TI=0）/LDTR（TI=1）,GDT/ LDT,段描述符,偏移量,2.6.2 保護(hù)模式存儲(chǔ)管理,2. 頁(yè)式存儲(chǔ)管理 CR0.PG1，頁(yè)部件自動(dòng)將線性地址轉(zhuǎn)換成物理地址 段長(zhǎng)可變：04GB 頁(yè)長(zhǎng)固定：CR4.PSE=1，頁(yè)4MB； CR4.PSE0，頁(yè)4KB 物理地址：CR4.PAE=1，超過(guò)32位 （1）頁(yè)變換原理,2.6.2 保護(hù)模式存儲(chǔ)管

55、理,,,,,,,,,,,,,,,,,,物理地址,Y 不分頁(yè),頁(yè)目錄表基址,,CR3,段管理部件,選擇符,偏移量,,,,,PG=0？,,,,,,,頁(yè)目錄號(hào)（10位）,頁(yè)號(hào)（10位）,偏移量（12位）,,0,,,虛擬地址,線性地址,,,,,,,,,,,,,,頁(yè)表項(xiàng),4KB,,,31,0,31,0,7,0,1023,1023,,,線形頁(yè)號(hào),,,分頁(yè) N,0,0,,,31,21,22,12,11,0,段管理部件,物理地址,Y 不分頁(yè),分頁(yè) N,頁(yè)目錄表基址,,頁(yè)目錄號(hào)（10位）,,頁(yè)號(hào)（10位）,偏移量（12位）,,2.6.2 保護(hù)模式存儲(chǔ)管理, CR3（頁(yè)目錄基址）線性地址高10位（頁(yè)目錄號(hào)）4

56、 頁(yè)目錄項(xiàng)低位地址；得到頁(yè)表基址 頁(yè)表基址線性地址中10位（頁(yè)號(hào)）4 頁(yè)表項(xiàng)低位地址；得到頁(yè)基址 頁(yè)基址線性地址低12位（偏移量） 頁(yè)內(nèi)單元的偏移地址 頁(yè)變換：線性地址高20位的線性頁(yè)號(hào)變換為物理頁(yè)號(hào) 頁(yè)內(nèi)的偏移量不變換。,,,,,,2.6.2 保護(hù)模式存儲(chǔ)管理, P 存在： P1，頁(yè)目錄項(xiàng)/頁(yè)表項(xiàng)在內(nèi)存中； P0則表示其不在內(nèi)存中 。 R/W 讀/寫(xiě)： R/W1，頁(yè)目錄項(xiàng)/頁(yè)表項(xiàng)可讀、寫(xiě)、執(zhí)行； R/W0，頁(yè)目錄項(xiàng)/頁(yè)表項(xiàng)可讀、執(zhí)行。 U/S 用戶/監(jiān)控： U/S1，頁(yè)的用戶級(jí)段的PL3。

57、 U/S0，頁(yè)的監(jiān)控級(jí)段的PL0，PL1， PL2 。,（2）頁(yè)目錄項(xiàng)和頁(yè)表項(xiàng),2.6.2 保護(hù)模式存儲(chǔ)管理, PWT 頁(yè)通寫(xiě)（外部Cache）：PWT1，當(dāng)前頁(yè)通寫(xiě)； PWT0，當(dāng)前頁(yè)回寫(xiě)。 PCD為頁(yè)Cache禁止位。PCDl表示禁止片上Cache；PCD0表示允許片上Cache工作。 A 訪問(wèn)性：A1，頁(yè)表項(xiàng)/頁(yè)中內(nèi)容被訪問(wèn)。 A0，頁(yè)表項(xiàng)/頁(yè)中內(nèi)容未被訪問(wèn)。 D 頁(yè)修改位：D1，頁(yè)被修改過(guò)。 （二級(jí)頁(yè)表） D0，頁(yè)未被修改過(guò)。 AVAIL 保留附加信息 （對(duì)應(yīng)頁(yè)表或頁(yè)）。,2.6.2 保護(hù)模式存儲(chǔ)管理,（3）轉(zhuǎn)換后

58、援緩沖器TLB TLB是頁(yè)部件中的相聯(lián)存儲(chǔ)器。 CPU近期訪問(wèn)過(guò)的32個(gè)頁(yè)的有關(guān)信息： 線性頁(yè)號(hào)、物理頁(yè)號(hào)、D、A、U/S、R/W、P。 線性頁(yè)號(hào)在TLB中，找出物理頁(yè)號(hào)，快速完成轉(zhuǎn)換，有效 線性頁(yè)號(hào)不在TLB中，查頁(yè)目錄表、頁(yè)表、頁(yè)方式訪問(wèn)內(nèi)存，注意P、A、R/W屬性將其線性頁(yè)號(hào)、物理頁(yè)號(hào)、屬性 調(diào)入TLB。 當(dāng)TLB滿時(shí)，按LRU算法調(diào)出最近最少使用的頁(yè)信息及調(diào)入剛訪問(wèn)的頁(yè)。 程序局部性和數(shù)據(jù)的簇聚性可使CPU訪問(wèn)TLB的命中率在 98以上。,2.6.2 保護(hù)模式存儲(chǔ)管理, 線性地址高17位當(dāng)作TAG，在同一組號(hào)的4項(xiàng)中按內(nèi)容相聯(lián)查找； 若命中，找出其20位物理頁(yè)號(hào)拼接線性地

59、址低12位形成物理地 址，表TLB中有符合的項(xiàng)，但權(quán)限及頁(yè)目錄項(xiàng)/頁(yè)表項(xiàng)中P0， 產(chǎn)生異常14。 產(chǎn)生異常的線性地址 CR2 錯(cuò)誤代碼 異常14處理程序的堆棧中 關(guān)鍵程序和數(shù)據(jù)常駐內(nèi)存，使頁(yè)請(qǐng)求虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)能正常工作 頁(yè)目錄表。如： IDT、GDT、TSS及0級(jí)堆棧及其頁(yè)表。 頁(yè)Fault處理程序代碼和數(shù)據(jù)及其頁(yè)表。,,,2.6.2 保護(hù)模式存儲(chǔ)管理,,2.6.2 保護(hù)模式存儲(chǔ)管理,段寄存器,選擇符,RPL,分段部件,分頁(yè)部件,物理存儲(chǔ)器,,,,有效地址,邏輯地址,,線性地址,,,,,分頁(yè),不分頁(yè),物理地址,選擇符,,,14,,分段部件,,分頁(yè)部件,物理地址,,,物理存儲(chǔ)器,

60、物理存儲(chǔ)器,2.6.3 虛擬8086模式存儲(chǔ)管理,1. 段式管理 與實(shí)模式下存儲(chǔ)管理相同：段基址=段R值16，Limit=FFFFH，DPL=3，P=1，代碼段C=0，E=1，R 數(shù)據(jù)段：ED=1，R=1，W 2. 頁(yè)式管理 （1）多個(gè)VM8086任務(wù)的1MB線性地址空間映射到物理空間的不同區(qū)域 （2）VM8086地址偏移量超過(guò)1MB時(shí)，可仿真實(shí)現(xiàn)8086地址回繞 （3）頁(yè)請(qǐng)求虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)和調(diào)頁(yè)Fault（異常14）在虛擬空間的內(nèi)存和外存 之間實(shí)現(xiàn)頁(yè)的調(diào)度 （4）多個(gè)VM8086任務(wù)共享8086 OS或ROM代碼 （5）由存儲(chǔ)器映射I/O編址的設(shè)備，其端口地址可對(duì)應(yīng)不同線性地址,2.7

61、 多任務(wù)與多處理,,2.7.1 任務(wù)狀態(tài)段TSS 2.7.2 TSS D、Task G、TR 2.7.3 任務(wù)轉(zhuǎn)換 2.7.4 32位CPU的多處理,2.7.1 任務(wù)狀態(tài)段TSS,需要重存一個(gè)任務(wù)的處理器狀態(tài)信息被存于一種叫做TSS的段類(lèi)型 1. 動(dòng)態(tài)域：每個(gè)任務(wù)轉(zhuǎn)換時(shí)處理器更新 通用寄存器（EAX、ECX、EDX、EBX、ESP、EBP、ESI、EDI） 段寄存器（ES、CS、SS、DS、FS、GS） 標(biāo)志寄存器（EFLAGS） 指令指針（EIP） 老任務(wù)TSS選擇符（僅當(dāng)返回執(zhí)行時(shí)更新） 在TSS0102H：Link與NT1配合返回調(diào)用/被中斷程序,2.7.1 任務(wù)狀態(tài)段TSS,2. 靜

62、態(tài)域：處理器可以讀，但不改變；這些域在任務(wù)建立時(shí)設(shè)置 任務(wù)的LDT的選擇符 CR3寄存器（DDBR：頁(yè)目錄基址寄存器） 特權(quán)級(jí)0、1、2堆棧的邏輯地址 SS0：ESP0 SS1：ESP1 SS2：ESP2 調(diào)試陷阱位T 當(dāng)T1（偏移量64H的0位），在任務(wù)轉(zhuǎn)換發(fā)生時(shí)，在新任務(wù)第一條指令執(zhí)行前，處理器將發(fā)生一個(gè)調(diào)試異常，使軟件在任務(wù)之間根據(jù)需要有效地共享調(diào)試寄存器,2.7.1 任務(wù)狀態(tài)段TSS,I/O允許位圖和中斷重定向位圖基址 基址指向I/O位圖開(kāi)始處及中斷重定向的結(jié)束處。 CPLIOPL I/O位圖對(duì)應(yīng)位為0的端口，否則產(chǎn)生異常13。 位圖偏移量：位圖首地址，TSSD的Limi

63、t限制長(zhǎng)度，最后全1字節(jié)，在限長(zhǎng)內(nèi)。 關(guān)于分頁(yè) 避免頁(yè)邊界放在TSS內(nèi)，如果頁(yè)邊界放在TSS內(nèi)，那么邊界的每一個(gè)邊都要同時(shí)在TSS內(nèi)。 當(dāng)分頁(yè)使用時(shí)，老任務(wù)的TSS、新任務(wù)的TSS和描述符表項(xiàng)都應(yīng)該被標(biāo)記為存在和可讀/寫(xiě)，處理器開(kāi)始讀TSS后再收到一個(gè)頁(yè)故障或一般保護(hù)異常將是一個(gè)不可恢復(fù)的錯(cuò)誤。,2.7.2 TSS D、Task G、TR,1. TSSD 忙的任務(wù)是現(xiàn)行運(yùn)行或等待運(yùn)行的任務(wù) 駐留在GDT中,,2.7.2 TSS D、Task G、TR,2. Task G,2.7.2 TSS D、Task G、TR,（1）DPL控制對(duì)任務(wù)轉(zhuǎn)換的門(mén)描述符的訪問(wèn) 當(dāng)一個(gè)過(guò)程的CPL和選擇符R

64、PL數(shù)值小于等于TSS D的DPL時(shí)，這個(gè)過(guò)程不需要選擇門(mén)描述符來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)轉(zhuǎn)換。這防止低優(yōu)先級(jí)的過(guò)程引起一個(gè)任務(wù)轉(zhuǎn)換。 當(dāng)任務(wù)門(mén)被用時(shí)，目標(biāo)TSS D的DPL不用。CPL，RPL只和門(mén)DPL比較。,2.7.2 TSS D、Task G、TR,（2）Task G和TSS D滿足多項(xiàng)要求,一個(gè)任務(wù)僅有一個(gè)忙位，忙位存在TSS D中，每個(gè)任務(wù)都只有一個(gè)TSS D。 任務(wù)門(mén)能夠在LDT中：門(mén)的DPL與TSS D中 DPL不同，沒(méi)有足夠的特權(quán)使用GDT中TSS D（DPL0）的過(guò)程能夠訪問(wèn)LDT中的任務(wù)門(mén)，用任務(wù)門(mén)，OS能夠限制任務(wù)轉(zhuǎn)換到特殊的任務(wù)。 任務(wù)門(mén)在IDT中：當(dāng)中斷或異常的向量指向IDT中

65、的任務(wù)門(mén)時(shí)，中斷或異常能夠引起任務(wù)轉(zhuǎn)換。 多個(gè)任務(wù)門(mén)可以指向同一個(gè)任務(wù)。 任務(wù)門(mén)中指向TSS D的選擇符其RPL不用，門(mén)中偏移量也不用。 任務(wù)門(mén)可以在GDT、LDT和IDT中，但TSS D只能在GDT中，TSS可以定 位在內(nèi)存中任何位置 。,2.7.2 TSS D、Task G、TR,3. TR,,,,,,,,,,,,,,,2.7.2 TSS D、Task G、TR,（1）LTR 16位段選擇符裝入TR的可見(jiàn)部分，指向GDT中的TSS D。 48位的段基址和段限長(zhǎng)從TSS D中裝入TR不可見(jiàn)部分段Cache。 特權(quán)指令，僅在CPL0程序中執(zhí)行。 用于系統(tǒng)初始化時(shí)給TR賦初值，以后由引起

66、任務(wù)轉(zhuǎn)換的時(shí) 間改變其中的內(nèi)容。 （2）STR TR中的可見(jiàn)部分存入存儲(chǔ)器或通用寄存器。 非特權(quán)指令，可以在任務(wù)特權(quán)級(jí)程序中運(yùn)行。,2.7.3 任務(wù)轉(zhuǎn)換,1. 任務(wù)轉(zhuǎn)換的啟動(dòng) 段間JMP或CALL指令操作數(shù)選擇符直接選擇GDT中TSS D 段間JMP或CALL指令操作數(shù)選擇符通過(guò)Task G選擇符指向 GDT中TSS D。 中斷或異常指向IDT中的任務(wù)門(mén)，Task G選擇GDT中TSSD。 注意：索引IDT中的中斷門(mén)或陷阱門(mén)不會(huì)發(fā)生任務(wù)轉(zhuǎn)換。 當(dāng)EFLAGS.NT1時(shí)現(xiàn)行任務(wù)執(zhí)行IRET/IRETD指令。返回任務(wù)的選擇符在現(xiàn)行任務(wù)的TSS的Link字段中（Old TSS Selector）。,2.7.3 任務(wù)轉(zhuǎn)換,2. 任務(wù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程,檢查現(xiàn)行任務(wù)允許轉(zhuǎn)換到新任務(wù)。數(shù)據(jù)訪問(wèn)特權(quán)規(guī)則應(yīng)用到JMP、CALL。 CALL、JMP：現(xiàn)行CPL，選擇符RPL67H，B0（即Type9）。 存現(xiàn)行任務(wù)的狀態(tài)TSS中：EAX、ECX、EDX、EBX、ESP、EBP、ESI、EDI、ES、CS、SS、DS、FS、GS、EFLAGS、EIP（引起任務(wù)轉(zhuǎn)換指令的下一條指 令）。