本節(jié)重點(diǎn)講解了 32 位 x86 處理器的基本架構(gòu)特點(diǎn)。這些處理器包括了 Intel IA-32 系列中的成員和所有 32 位 AMD 處理器。

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操作模式

x86 處理器有三個(gè)主要的操作模式：保護(hù)模式、實(shí)地址模式和系統(tǒng)管理模式；以及一個(gè)子模式：虛擬 8086 (virtual-8086) 模式，這是保護(hù)模式的特殊情況。以下是對(duì)這些模式的簡介：

1) 保護(hù)模式 (Protected Mode)

保護(hù)模式是處理器的原生狀態(tài)，在這種模式下，所有的指令和特性都是可用的。分配給程序的獨(dú)立內(nèi)存區(qū)域被稱為段，而處理器會(huì)阻止程序使用自身段范圍之外的內(nèi)存。

2) 虛擬 8086 模式 (Virtual-8086 Mode)

保護(hù)模式下，處理器可以在一個(gè)安全環(huán)境中，直接執(zhí)行實(shí)地址模式軟件，如 MS-DOS 程序。換句話說，如果一個(gè)程序崩潰了或是試圖向系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)域?qū)憯?shù)據(jù)，都不會(huì)影響到同一時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的其他程序。現(xiàn)代操作系統(tǒng)可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)獨(dú)立的虛擬 8086 會(huì)話。

3) 實(shí)地址模式 (Real-Address Mode)

實(shí)地址模式實(shí)現(xiàn)的是早期 Intel 處理器的編程環(huán)境，但是增加了一些其他的特性，如切換到其他模式的功能。當(dāng)程序需要直接訪問系統(tǒng)內(nèi)存和硬件設(shè)備時(shí)，這種模式就很有用。

4) 系統(tǒng)管理模式 (System Management Mode)

系統(tǒng)管理模式 (SMM) 向操作系統(tǒng)提供了實(shí)現(xiàn)諸如電源管理和系統(tǒng)安全等功能的機(jī)制。這些功能通常是由計(jì)算機(jī)制造商實(shí)現(xiàn)的，他們?yōu)榱艘粋€(gè)特定的系統(tǒng)設(shè)置而定制處理器。

基本執(zhí)行環(huán)境

1) 地址空間

在 32 位保護(hù)模式下，一個(gè)任務(wù)或程序最大可以尋址 4GB 的線性地址空間。從 P6 處理器開始，一種被稱為擴(kuò)展物理尋址 (extended physical addressing) 的技術(shù)使得可以被尋址的物理內(nèi)存空間增加到 64GB。

與之相反，實(shí)地址模式程序只能尋址 1MB 空間。如果處理器在保護(hù)模式下運(yùn)行多個(gè)虛擬 8086 程序，則每個(gè)程序只能擁有自己的 1MB 內(nèi)存空間。

2) 基本程序執(zhí)行寄存器

寄存器是直接位于 CPU 內(nèi)的高速存儲(chǔ)位置，其設(shè)計(jì)訪問速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)存儲(chǔ)器。例如，當(dāng)一個(gè)循環(huán)處理為了速度進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，其循環(huán)計(jì)數(shù)會(huì)保留在寄存器中而不是變量中。

下圖展示的是基本程序執(zhí)行寄存器（basic program execution registers）。8 個(gè)通用寄存器，6 個(gè)段寄存器，一個(gè)處理器狀態(tài)標(biāo)志寄存器（EFLAGS），和一 個(gè)指令指針寄存器（EIP）。

通用寄存器

通用寄存器主要用于算術(shù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳輸。如下圖所示，EAX 寄存器的低 16 位在使用時(shí)可以用 AX 表示。

一些寄存器的組成部分可以處理 8 位的值。例如，AX 寄存器的高 8 位被稱為 AH，而低 8 位被稱為 AL。同樣的重疊關(guān)系也存在于 EAX、EBX、ECX 和 EDX 寄存器中：

32 位16 位8 位（高）8 位（低）

EAX	AX	AH	AL
EBX	BX	BH	BL
ECX	CX	CH	CL
EDX	DX	DH	DL

其他通用寄存器只能用 32 位或 16 位名稱來訪問，如下表所示：

32 位16 位32 位16 位

ESI	SI	EBP	BP
EDI	DI	ESP	SP

特殊用法

某些通用寄存器有特殊用法：

• 乘除指令默認(rèn)使用EAX。它常常被稱為擴(kuò)展累加器（extended accumulator）寄存器。
• CPU 默認(rèn)使用 ECX 為循環(huán)計(jì)數(shù)器。
• ESP 用于尋址堆棧（一種系統(tǒng)內(nèi)存結(jié)構(gòu)）數(shù)據(jù)。它極少用于一般算術(shù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳輸，通常被稱為擴(kuò)展堆棧指針（extended stack pointer）寄存器。
• ESI 和 EDI 用于高速存儲(chǔ)器傳輸指令，有時(shí)也被稱為擴(kuò)展源變址（extended source index）寄存器和擴(kuò)展目的變址（extended destination index）寄存器。
• 高級(jí)語言通過 EBP 來引用堆棧中的函數(shù)參數(shù)和局部變量。除了高級(jí)編程，它不用于一般算術(shù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳輸。它常常被稱為擴(kuò)展幀指針（extended frame pointer）寄存器。

段寄存器

實(shí)地址模式中，16 位段寄存器表示的是預(yù)先分配的內(nèi)存區(qū)域的基址，這個(gè)內(nèi)存區(qū)域稱為段。保護(hù)模式中，段寄存器中存放的是段描述符表指針。一些段中存放程序指令（代碼），其他段存放變量（數(shù)據(jù)），還有一個(gè)堆棧段存放的是局部函數(shù)變量和函數(shù)參數(shù)。

指令指針

指令指針（EIP）寄存器中包含下一條將要執(zhí)行指令的地址。某些機(jī)器指令能控制 EIP，使得程序分支轉(zhuǎn)向到一個(gè)新位置。

EFLAGS 寄存器

EFLAGS （或 Flags）寄存器包含了獨(dú)立的二進(jìn)制位，用于控制 CPU 的操作，或是反映一些 CPU 操作的結(jié)果。有些指令可以測(cè)試和控制這些單獨(dú)的處理器標(biāo)志位。

設(shè)置標(biāo)志位時(shí)，該標(biāo)識(shí)位 =1；清除（或重置）標(biāo)識(shí)位時(shí)，該標(biāo)志位 =0。

控制標(biāo)志位

控制標(biāo)志位控制 CPU 的操作。例如，它們能使得 CPU 每執(zhí)行一條指令后進(jìn)入中斷；在偵測(cè)到算術(shù)運(yùn)算溢出時(shí)中斷執(zhí)行；進(jìn)入虛擬 8086 模式，以及進(jìn)入保護(hù)模式。

程序能夠通過設(shè)置 EFLAGS 寄存器中的單獨(dú)位來控制 CPU 的操作，比如，方向標(biāo)志位和中斷標(biāo)志位。

狀態(tài)標(biāo)志位

狀態(tài)標(biāo)志位反映了 CPU 執(zhí)行的算術(shù)和邏輯操作的結(jié)果。其中包括：溢出位、符號(hào)位、零標(biāo)志位、輔助進(jìn)位標(biāo)志位、奇偶校驗(yàn)位和進(jìn)位標(biāo)志位。下述說明中，標(biāo)志位的縮寫緊跟在標(biāo)志位名稱之后：

• 進(jìn)位標(biāo)志位（CF），與目標(biāo)位置相比，無符號(hào)算術(shù)運(yùn)算結(jié)果太大時(shí)，設(shè)置該標(biāo)志位。
• 溢出標(biāo)志位（OF），與目標(biāo)位置相比，有符號(hào)算術(shù)運(yùn)算結(jié)果太大或太小時(shí)，設(shè)置該標(biāo)志位。
• 符號(hào)標(biāo)志位（SF），算術(shù)或邏輯操作產(chǎn)生負(fù)結(jié)果時(shí)，設(shè)置該標(biāo)志位。
• 零標(biāo)志位（ZF），算術(shù)或邏輯操作產(chǎn)生的結(jié)果為零時(shí)，設(shè)置該標(biāo)志位。
• 輔助進(jìn)位標(biāo)志位（AC），算術(shù)操作在 8 位操作數(shù)中產(chǎn)生了位 3 向位 4 的進(jìn)位時(shí)，設(shè)置該標(biāo)志位。
• 奇偶校驗(yàn)標(biāo)志位（PF），結(jié)果的最低有效字節(jié)包含偶數(shù)個(gè) 1 時(shí)，設(shè)置該標(biāo)志位，否則，清除該標(biāo)志位。一般情況下，如果數(shù)據(jù)有可能被修改或損壞時(shí)，該標(biāo)志位用于進(jìn)行 錯(cuò)誤檢測(cè)。

3) MMX 寄存器

在實(shí)現(xiàn)高級(jí)多媒體和通信應(yīng)用時(shí)，MMX 技術(shù)提高了 Intel 處理器的性能。8 個(gè) 64 位 MMX 寄存器支持稱為 SIMD（單指令，多數(shù)據(jù)，Single-Instruction，Multiple-Data）的特殊指令。

顧名思義，MMX 指令對(duì) MMX 寄存器中的數(shù)據(jù)值進(jìn)行并行操作。雖然，它們看上去是獨(dú)立的寄存器，但是 MMX 寄存器名實(shí)際上是浮點(diǎn)單元中使用的同樣寄存器的別名。

4) XMM 寄存器

x86 結(jié)構(gòu)還包括了 8 個(gè) 128 位 XMM 寄存器，它們被用于 SIMD 流擴(kuò)展指令集。

浮點(diǎn)單元

浮點(diǎn)單元（FPU, floating-point unit）執(zhí)行高速浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算。之前為了這個(gè)目的，需要一個(gè)獨(dú)立的協(xié)處理器芯片。從 Intel486 處理器開始，FPU 已經(jīng)集成到主處理器芯片上。

FPU 中有 8 個(gè)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)寄存器，分別命名為 ST（0），ST（1），ST（2），ST（3），ST（4）， ST（5）， ST （6）和 ST（7）。其他控制寄存器和指針寄存器如下圖所示。

x86 內(nèi)存管理

x86 處理器按照前面討論的基本操作模式來管理內(nèi)存。保護(hù)模式是最可靠、最強(qiáng)大的，但是它對(duì)應(yīng)用程序直接訪問系統(tǒng)硬件有著嚴(yán)格的限制。

在實(shí)地址模式中，只能尋址 1MB 內(nèi)存，地址從 00000H 到 FFFFFH。處理器一次只能運(yùn)行一個(gè)程序，但是可以暫時(shí)中斷程序來處理來自外圍設(shè)備的請(qǐng)求（稱為中斷（interrupt））。

應(yīng)用程序被允許訪問內(nèi)存的任何位置，包括那些直接與系統(tǒng)硬件相關(guān)的地址。MS-DOS 操作系統(tǒng)在實(shí)地址模式下運(yùn)行，Windows 95 和 98 能夠引導(dǎo)進(jìn)入這種模式。

在保護(hù)模式中，處理器可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序，它為每個(gè)進(jìn)程（運(yùn)行中的程序）分配總共 4GB 的內(nèi)存。每個(gè)程序都分配有自己的保留內(nèi)存區(qū)域，程序之間禁止意外訪問其他程序的代碼和數(shù)據(jù)。MS-Windows 和 Linux 運(yùn)行在保護(hù)模式下。

在虛擬 8086 模式中，計(jì)算機(jī)運(yùn)行在保護(hù)模式下，通過創(chuàng)建一個(gè)帶有 1MB 地址空間的虛擬 8086 機(jī)器來模擬運(yùn)行于實(shí)地址模式的 80×86 計(jì)算機(jī)。例如，在 Windows NT 和 2000 下，當(dāng)打開一個(gè)命令窗口時(shí)，就創(chuàng)建了一個(gè)虛擬 8086 機(jī)器。同一時(shí)間可以運(yùn)行多個(gè)這樣的窗口，并且窗口之間都是受到保護(hù)的。

在 Windows NT，2000 和 XP 系統(tǒng)中，某些需要直接使用計(jì)算機(jī)硬件的 MS-DOS 程序不能運(yùn)行在虛擬 8086 模式下。

下一篇：1.11?字符在計(jì)算機(jī)中是如何表示的
1.12?匯編語言布爾表達(dá)式
處理器架構(gòu)
2.1?CPU處理器架構(gòu)
2.2?32位x86處理器架構(gòu)
2.3?x86-64處理器架構(gòu)
2.4?x86計(jì)算機(jī)組件
匯編語言基礎(chǔ)
3.1?第一個(gè)匯編語言程序
3.2?匯編語言常量
3.3?匯編語言保留字
3.4?匯編語言標(biāo)識(shí)符
3.5?匯編語言偽指令

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的32位x86处理器架构的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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