6.0 32位微处理器

6.0 32位微处理器

32 位微处理器编程结构简介

从这里开始进入 2.2：32 位微处理器编程结构简介。

这部分不是重点讲 8086，而是从 80286、80386、80486 到 Pentium 系列的发展。

一、80286：地址线扩展到 24 位

书上说 80286 在 1982 年推出。它的重要变化是：

地址线扩展到 24 位，物理地址空间达到 16MB引入保护工作模式，支持多任务隔离保护

为什么 24 位地址线是 16MB？

因为：2^24 = 16MB

相比 8086/8088 的 1MB，80286 能访问的物理内存大了很多。

80286 的重要意义：保护模式（引入地址隔离sv39看操作系统第四章）

8086 只有实模式，程序之间隔离能力很弱。一个程序如果乱写内存，可能把操作系统或别的程序破坏掉。80286 引入保护模式以后，可以实现：

任务之间隔离用户程序和操作系统之间隔离内存访问权限检查

这就是现代操作系统多任务机制的基础之一。

二、80386：第一款 32 位微处理器

1985 年推出 80386。

80386 的意义非常大：第一款 32 位 x86 微处理器地址总线 32 位，数据总线 32 位支持 4GB 物理地址空间，为什么 32 位地址是 4GB？

2^32 = 4GB

这和 8086 的 1MB 已经完全不是一个级别。

80386 的三种工作模式

书上提到 80386 可以在三种模式下工作：

实地址模式，受保护的虚拟地址模式，虚拟 8086 模式

实地址模式：兼容 8086，启动时常用。保护模式：现代操作系统主要使用，可以实现内存保护、多任务。虚拟 8086 模式：在保护模式中模拟一个 8086 环境，用来运行旧的 8086 程序。

三、80486：集成 FPU 和 Cache

书上说 80486 相当于在 803386 基础上加入了：

80387 浮点运算协处理器8KB Cache

以前浮点运算协处理器可能是单独芯片，比如 80387。

到了 80486，把浮点单元集成进 CPU 内部。

Cache 是高速缓冲存储器，用来减少 CPU 等内存的时间。

所以 80486 比 80386 性能明显提高。

四、特权级 0~3（Machine System User）

80386/80486 提供四级特权级：0 级1 级2 级3 级

其中：0 级最高，通常给操作系统内核，3 级最低，通常给用户应用程序

这就是现代操作系统“内核态/用户态”的基础思想。

用户程序不能随便执行特权指令，也不能随便访问内核内存。

CPU 会在执行指令时检查：

当前特权级够不够？访问的内存段是否合法？有没有越界？I/O 权限是否允许？

这就是保护模式的核心。

五、Pentium 到 Pentium III

书上大概回顾了几个发展点：Pentium、Pentium MMX：增加 MMX 指令，提高多媒体处理能力。Pentium Pro：加入更大的二级 Cache，引入动态执行技术。Pentium II：可以理解为增强了 MMX 技术的 Pentium Pro。Pentium III：引入 SSE 技术，提高浮点和多媒体运算能力。

从 80386 到 Pentium 系列，性能技术不断增强，但基本编程结构仍然沿用 IA 架构。

所以书上后面选择用 80386/80486 的结构来代表 32 位 x86 编程结构。

六、虚拟 8086 模式

第 27 页中间讲：虚拟 8086 模式是 80386/80486 为了让原来的 8086 程序运行在多任务环境中而设计的。

你可以理解成：在保护模式的大环境里，CPU 给某个任务伪装出一个“8086 小环境”。

这样旧的 DOS/8086 程序以为自己还在 8086 机器上跑，但实际上它是现代保护模式下的一个任务。

所以虚拟 8086 模式的用途是：

兼容旧程序，让多个 8086 程序可以在保护环境中运行

七、SMM 系统管理模式

书上还讲了 SMM：

System Management Mode系统管理模式

它主要用于：电源管理，硬件控制，或厂商固件管理

SMM 一般不是普通程序或操作系统直接使用的。

当系统发生某种管理事件时，CPU 进入 SMM，执行专门的 SMM 代码。

执行完之后，再恢复到原来的程序状态。

可以把它理解成一种很底层、很隐蔽的系统固件管理模式。

实模式下的 32 位寄存器结构

接下来进入：实模式下的 32 位微处理器编程结构。

重点是 80386/80486 的寄存器。

一、8 个 32 位通用寄存器

80386/80486 把 8086 的 16 位通用寄存器扩展成 32 位。

对应关系是：

AX → EAX BX → EBXCX → ECX DX → EDXSI → ESI DI → EDIBP → EBP SP → ESP

前面的 E 可以理解成 Extended，扩展。

所以：

EAX 是 AX 的 32 位扩展EBX 是 BX 的 32 位扩展ECX 是 CX 的 32 位扩展EDX 是 DX 的 32 位扩展

1. 低 16 位仍然可以单独访问

比如 EAX 是 32 位：EAX = 高 16 位 + AX

AX 就是 EAX 的低 16 位。

例如：EAX = 12345678H

那么：AX = 5678H

如果你执行：MOV AX, 1111H

只会修改 EAX 的低 16 位。

结果变成：EAX = 12341111H

高 16 位 1234H 不变。

2. AX、BX、CX、DX 的低 8 位和高 8 位仍然可以访问

和 8086 一样：

AX = AH + ALBX = BH + BLCX = CH + CLDX = DH + DL

所以 EAX 的结构可以这样看：EAX 32 位，低 16 位是 AXAX 的高 8 位是 AH，AX 的低 8 位是 AL

如果：EAX = 12345678H

那么：AX = 5678HAH = 56H，AL = 78H

注意，EAX 的高 16 位没有单独的名字。

也就是说，没有类似 EAH 这种寄存器。

二、段寄存器增加 FS 和 GS

8086/8088 原来有 4 个段寄存器：

CS、DS、ES、SS

80386/80486 增加了两个：

FS、GS

所以一共有 6 个段寄存器：

CS、DS、ES、SS、FS、GS

FS 和 GS 是附加段寄存器。

作用类似 ES，可以让程序多几个可用的数据段寄存器。

简单理解：8086 同一时刻主要有 4 个当前段。80386/80486 增加 FS、GS 后，同一时刻可使用的段更多。

三、IP 扩展为 EIP

8086 的指令指针是：IP：16 位

80386/80486 中扩展成：EIP：32 位

EIP 用来保存下一条指令的偏移地址。

在 32 位保护模式下，EIP 可以表示更大的偏移范围。

但在实模式兼容环境下，很多机制仍然要考虑 8086 的兼容性。

四、FLAGS 扩展为 EFLAGS

8086 的 FLAGS 是 16 位。

80386/80486 扩展成：EFLAGS：32 位

图 2.17 画的是 EFLAGS。

其中低位的一些标志仍然和 8086 兼容，比如：

CF、PF、AF、ZF、SF、TF、IF、DF、OF

这些前面已经讲过。

80386/80486 又增加了一些新的标志位，书上重点列了：

IOPLNTRFVMAC

五、IOPL：I/O 特权级

IOPL 全称：I/O Privilege Level

它占 EFLAGS 中的两个位，用来表示 I/O 特权级。

它主要在保护模式下使用。作用是控制程序能不能执行 I/O 操作，比如：

INOUT

普通用户程序不能随便访问硬件端口，否则可能破坏系统安全。

所以 CPU 用 IOPL 和当前特权级一起判断：

这个程序有没有权限访问 I/O 端口？

六、NT：嵌套任务标志

NT 是：Nested Task

意思是嵌套任务。

它用于任务切换和任务嵌套。

如果一个任务是在另一个任务中被调用或中断进入的，CPU 可以通过 NT 标志帮助维护任务之间的返回关系。

这个标志主要服务于保护模式下的硬件任务机制。

普通 8086 汇编学习里不常直接用它。

七、RF：恢复标志

RF 是：Resume Flag

恢复标志。它和调试异常有关。

当调试器设置断点或单步调试时，有时一条指令执行后可能马上再次触发调试异常。

RF 可以让 CPU 在恢复执行时暂时避免重复触发同一个调试异常。

简单记：RF 用于调试恢复，避免调试故障反复发生

八、VM：虚拟 8086 模式标志

VM 是：

Virtual-8086 Mode

如果：VM = 1

表示 CPU 当前处于虚拟 8086 模式。

也就是在保护模式下模拟 8086 运行环境。

这个标志很关键，因为它告诉 CPU：

当前任务要按照虚拟 8086 的方式解释和执行。

九、AC：对齐检查标志

AC 是：Alignment Check

也就是对齐检查。书上讲它和内存访问地址是否对齐有关。

之前讲过对齐方式

比如：字节操作可以在任意地址访问。

字操作最好放在偶地址。

双字操作最好放在 4 的整数倍地址。

四字操作最好放在 8 的整数倍地址。

为什么？

因为地址对齐时，CPU 访问内存更快，可能一次总线访问就能完成。

如果不对齐，可能要多次访问内存，速度下降。不对齐如何解决也有提过（3.8节）

所以 AC 标志用于检查地址对齐问题。

更准确地说，在保护模式下，当相关条件满足时，AC 可以让 CPU 对不符合对齐要求的访问产生异常，用来帮助系统发现不规范的内存访问。

你可以先按考试层面记：

AC 用于地址对齐检查，主要和保护模式有关

8086 常用标志：

CF、PF、AF、ZF、SF、OF、TF、IF、DF

80386/80486 新增保护相关标志：

IOPL、NT、RF、VM、AC

前一组经常用于普通算术、跳转、串操作。

后一组更多用于保护模式、调试、多任务、虚拟 8086、地址对齐等系统级功能。