IA-32 Processor Architecture

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弄湛
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1 Assembly Language Course Ref. Irvine, Assembly Language For INTEL-based Computers, 5e, Pearson.

2 三個基本操作模式保護模式 (Protected Mode) 實體位址模式 (Real-address Mode) 系統管理模式 (System Management Mode; SMM)

3 預設模式所有指令與功能皆可使用每個被執行的程式 ( 行程 ) 都被分配有各自 4GB 的記憶體空間 ( 稱區段, segments) 不能參考到被指派使用之區段外的記憶體可以同時執行多個程式特殊情況虛擬 8086 模式 (Virtual-8086 Mode) 模擬一個 8086 機器在安全的多工環境內, 直接執行實體位址模式軟體要直接接觸到硬體的軟體不能在此模式執行配置 1MB 位址空間

4 一次只能執行一個程式, 但處理器可以藉由中斷信號中斷正在執行的程式在此模式可以實作出 Intel 8086 處理器的程式執行環境可切換到其他模式 Window 98 中可使用此模式可用於執行一個需要直接存取系統記憶體或硬體裝置的 MS-DOS 程式在實體模式下執行的程式, 可能導致作業系統當機可任何存取 1MB 位址空間 (0x00000~0xFFFFF) 內資料

5 提供作業系統額外的機制, 用於增加如電源管理和系統安全等功能

6 位址空間保護模式 : 可存取 4GB( Bytes) 的記憶體範圍實體位址模式 : 可存取 1MB( Bytes) 的記憶體範圍保護模式下的虛擬 8086 模式 : 多個執行的程式中的每個可分別擁有 1MB( Bytes) 的記憶體存取範圍

7 基本的程式執行暫存器 (Basic program execution registers) 通用暫存器 :8 個 32 bits: EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESP, ESI, EDI 區段暫存器 :6 個 16 bits: CS, SS, DS, ES, FS, GS 旗標暫存器 :1 個 32 bits: EFLAGS 指令指標 :1 個 32 bits: EIP

8 General-Purpose Registers 主要用於算術與資料搬移每個暫存器都可被定址為單一個 32 或 16 位元的值部分暫存器可定址為 8 位元的值

32 bits 16 bits 8 bits (High) 8 bits (Low) 備註 EAX AX AH AL 乘法 / 除法自動使用 EAX EBX BX BH BL ECX CX CH CL 迴圈計數器自動使用 ECX EDX DX DH DL ESI SI - - EDI DI - - EBP BP - - 常用於高速的記憶體轉移指令 ( 來源 )

9 32 bits 16 bits 8 bits (High) 8 bits (Low) 備註 EAX AX AH AL 乘法 / 除法自動使用 EAX EBX BX BH BL ECX CX CH CL 迴圈計數器自動使用 ECX EDX DX DH DL ESI SI - - EDI DI - - EBP BP - - 常用於高速的記憶體轉移指令 ( 來源 ) 常用於高速的記憶體轉移指令 ( 目地 ) 高階語言常用 EBP 來參照堆疊中的函數參與與局部變數不建議使用此暫存器於平常的算術運算與資料搬移 ESP SP - - 堆疊定址使用 ESP Extended Accumulator Extended Source Index Extended Destination Index Extended Stack Pointer

10 Segment Registers 實體模式 : 用於定義區段的基底位址區段 : 預先指定的記憶體區域保護模式 : 用於儲存指向區段描述符表的指標區段常見的用途 : 儲存程式碼的區段儲存變數 ( 資料 ) 的區段儲存堆疊內容的區段局部變數 / 函數參數

11 Instruction Pointer, EIP 儲存下一個即將執行的指令位址

12 或稱旗標 (Flags) 暫存器由各別獨立的二進位位元所組成稱為旗標 (flag) 用於控制 CPU 運作 ( 控制旗標,Control Flags), 或顯露某些運算的結果 ( 狀態旗標,Status Flags) 旗標設定 (set):1 清除 (clear)/ 重置 (reset):0

13 進位旗標 (Carry Flag, CF) 溢位旗標 (Overflow Flag, OF) 符號旗標 (Sign Flag, SF) 零值旗標 (Zero Flag, ZF) 輔助進位旗標 (Auxiliary Carry Flag, AC) 同位旗標 (Parity Flag, PF)

14 在無號數算術運算結果的值大於目地位址所能儲存的值時, 會被設定例如 : 若目的位址能儲存 32 位元的值, 當執行的運算時, CF 會被設定為 1

15 在有號數算術運算結果的值大於或小於目地位址儲存空間所能表示的值時, 會被設定例如 : 若目的位址能儲存的值範圍在 ~ 的值, 當執行 x+1, where x=(2 31-1) 的運算時,OF 會被設定為 1

16 當算術或邏輯運算後產生負值的結果時, 會被設定例如 : 執行 3-5 的運算後

17 當算術或邏輯運算後產生零值的結果時, 會被設定例如 : 執行 3-3 的運算後

18 當一個 8 位元運算元在算術運算中, 其位元三 (bit 3) 有進位到位元四 (bit 4) 時, 此旗標會被設定例如 : 執行 b b 時

19 如果在結果中的最小有效位元組含有偶數個 1 的位元數, 則此旗標會被設定, 否則會被清除奇同位

20 應用程式通常不應該存取此類暫存器例如,Windows 系統只允許 level 0( 最高級 ) 程式, 像是 kernel 程式, 存取此類暫存器 IDTR, 中斷描述符表暫存器 Interrupt Descriptor Table Register GDTR, 全域描述符表暫存器 Global Descriptor Table Register LDTR, 局部描述符表暫存器 Local Descriptor Table Register Task Register, 任務暫存器 Debug Registers, 除錯暫存器 Control Registers, 控制暫存器 Model-Specific Registers, 特定模型暫存器

21 內含中斷描述符表的位址中斷描述符表, 提供中段處理常式的起始位址

22 儲存全域描述符表的位址全域描述符表含有指向任務狀態區段 (task state segments) 和指向區域程式描述符表 (local program descriptor tables) 的指標

23 The register contains pointers to the code, data, and stack of currently running programs.

24 The register contains the address of the TSS (task state segment) for the currently executing task.

25 The registers let programs set breakpoints when debugging programs.

26 CR0, CR2, CR3, CR4 The registers contain status flags and data fields that control system-level operations such as task switching, paging, and enabling cache memory. (Register CR1 is not used)

27 The registers are used for such operating system tasks as performance monitoring and checking the machine architecture. Their use varies among different IA-32 processors.

28 用於執行高速的浮點算術此單元擁有八個浮點資料暫存器 (Floating-Point Registers): ST(0), ST(1), ST(2), ST(3), ST(4), ST(5), ST(6), ST(7) 80 bits 兩個指標暫存器 (Pointer Registers): FPU Instruction Pointer, FPU Data Pointer 48 bits 三個控制暫存器 (Control Registers): Tag Register, Control Register, Status Register 16 bits 一個操作碼暫存器 Opcode Register, 80-bit.

29 於進階多媒體程式設計中可使用 : 8 個額外的 64-bit 暫存器可供 MMX 指令集使用 8 個額外的 128-bit XMM 暫存器可於 SIMD(Single Instruction, multiple data) 操作時使用

30 參考 P48, 1~11 題 (P38-39, 1~11)

31 記憶體管理依據三種基本模式實體模式只能定址 1MB 的記憶體空間 (0x00000~0xFFFFF) 處理器一次只能執行一個程式 ( 可被中斷信號中斷 ) MS-DOS 作業系統在此模式執行 Window 95, 98 可以啟動進入此模式保護模式能同時執行多個程式, 每個行程 ( 執行中程式 ) 可分配到 4GB 的記憶體每個程式可以分配到自己所屬的記憶體區域, 避免意外地存取到其他程式的程式碼與資料 MS-Windows, Linux

32 虛擬 8086 模式也是在保護模式中執行, 但是會建立一個虛擬的 8086 機器此機器擁有 : 自己的 1MB 位址空間可參考資料 Intel IA-32 架構軟體開發者手冊 (IA-32 Intel Architecture Software Developer s Manual)

33 記憶體位址分兩部分描述區段基底位址有效位址 (EA) 實體模式實際位址 (PA) = 區段基底位址 + 有效位址區段基底位址 :8086, 80286: 存放於區段暫存器內的值乘上 10h 有效位址 : 透過指令中各種定址方式獲得保護模式 ( 在之後 ), 線性位址 (LA) = 區段基底位址 (32bit) + 有效位址 (32bit) 區段基底位址 : 透過區段描述符中的基底位址欄位獲得有效位址 : 透過指令中各種定址方式獲得實際位址 (PA): 線性位址透過記憶體映成單元的處理, 才能產生

可用 20 bits 存取記憶體 20 bits -> 1,048,576 bytes; 0x00000~0xFFFFF 因為 8086 只有 16bits 暫存器, 使用區段記憶體架構來建構出 20bits 的位址值 ( 透過 MMU 硬體電路 ) 將記憶體空間分成區段 (segments), 每個區段 64-kilobyte 大小

34 可用 20 bits 存取記憶體 20 bits -> 1,048,576 bytes; 0x00000~0xFFFFF 因為 8086 只有 16bits 暫存器, 使用區段記憶體架構來建構出 20bits 的位址值 ( 透過 MMU 硬體電路 ) 將記憶體空間分成區段 (segments), 每個區段 64-kilobyte 大小在每個區段內, 透過偏移值 (offset) 定址到欲指定的記憶體位置絕對 ( 線性 ) 位址 = 區段位址 + 偏移值區段位址只用 16 位元的 4 個位數來表示 : 例如區段起始位址在 0x12340 處, 用 0x1234 表示其被存放於 CS, DS, SS, ES 這些暫存器內所以線性位址 0x12345 用 1234:0005 表示

35 若在實體模式下, 某變數的位址為 08F1:0100, 則其線性位址為何?

36 若在實體模式下, 某變數的位址為 08F1:0100, 則其線性位址為何? ANS.: 線性位址 =08F1h*10h+0100h=08F10h+0100h=09010h

37 定址範圍 4GB 0x0000,0000~0xFFFF,FFFF 在 Microsoft Assembler 中的 flat memory model( 平直記憶體模式 ) 很適合用於表示保護模式下的記憶體位址記憶體位址只用單一個 32 位元整數表示區段透過區段暫存器所指向的區段描述符表 (Segment Descriptor Tables) 內的資訊, 計算得知區段所在可使用的區段暫存器 :CS,DS, ES, SS, FS, FS 保護模式下常用的三個區段 CS: 指向程式碼區段的描述符表 DS: 指向資料區段的描述符表 SS: 指向堆疊區段的描述符表

38 一個位址直接用 32bits 表示需要至少用到兩個區段一個給程式碼使用一個給資料使用一個區段描述符 (segment descriptor) 可定義出一個區段 64 bits 整數存放於全域描述符表 (Global Descriptor Table, GDT) 內

64 bits 基底位址 (32 bits) 區段極限存取 0000,0000 0040 ----

39 64 bits 基底位址 (32 bits) 區段極限存取 0000, ,0000h 區段極限值 *1000h 區段所在 0004,0000h 4GB 範圍 0000,0000h

40 若要指定區段的大小為 256MB, 且區段起始於位址 0000,0000h 則區段描述符的基底欄位值與區段極限應該為何?

41 若要指定區段的大小為 256MB, 且區段起始於位址 0000,0000h 則區段描述符的基底欄位值與區段極限值應該為何? Ans.: 256MB: 有 2 8 x2 20 個位址 : 需要 28 bits 表示 000,0000h~FFF,FFFFh 所以基底為 0000,0000h 區段極限為 10000h

42 在此模式, 每個程式擁有自己的區段描述符表, 稱為區域描述符表 (Local Descriptor Table, LDT) 每個描述符指向一個區段 (Segment) 每個區段有自己的記憶體空間內含區段大小資料例如 : 起始於位址 3000h 具有 2000h 大小的區段, 則描述符中基底位址為 h, 極限值為 0002 ( 因為 0002h*1000h=2000h)

43 節區段記憶體管理單元 (segmentation memory management unit) 內的分頁記憶體管理單元 (paging memory management unit) 提供分頁功能可由控制暫存器控制啟動與否將記憶體區段分割成數個區塊, 稱為頁面 (pages) 每個頁 :4096bytes(4kbytes) 透過此技術可讓同一時間執行的全部程式, 使用的記憶體總合大於電腦的實體記憶體作業系統映射的所有頁面總合稱為虛擬記憶體 (virtual memory) 作業系統通常會透過稱為虛擬記憶體管理員管理之

44 有三個主要的組成單元頁區目錄 (page directory) 4k Bytes 內含條目 (entries) 4 Bytes / entry 用於指定一個分頁表的基底位址與相關存取資訊分頁表 (page table) 4k Bytes 內含條目 (entries) 4 Bytes / entry 用於指定一個頁區 ( 頁面 ) 的基底位址與相關存取資訊頁區 (page) ( 頁面 ) 4k Bytes

45 80386CPU 的線性位址對實際位址的轉換線性位址頁區目錄分頁表位移位址 + 運算元 CR0 + CR1 CR2 CR3 根目錄控制暫存器 + 頁區目錄分頁表 ( 使用 4k 頁區時 ) 記憶體使用者記憶體

46 模式與位址空間位址空間有效 / 線性 / 實際位址上述三者關係

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untitled 8086/8088 CIP /. 2004.8 ISBN 7-03-014239-X.... TP313 CIP 2004 086019 16 100717 http://www.sciencep.com * 2004 8 2004 8 1 5 500 787 1092 1/16 16 1/2 391 000 1 2 ii 1 2 CAI CAI 3 To the teacher To the student