IA-32 Manual

Architecture

IA-32处理器在加电或者复位后首先进入实地址模式，而后由软件完成到保护模式下的切换。

寄存器与数据结构：

全局和局部描述符表

保护模式下，所有内存访问通过：

• 全局描述符表(GDT)
• 局部描述符表(LDT)

描述符表里的项为段描述符(riscv: PTE)，段描述符包含

• 一个段的基地址
• 访问权限
• 类型和用法信息

每个段描述符都有一个与之相关的段选择子(riscv: satp)。段选择子包含：

• 一个对GDT或LDT的索引
• 一个全局/局部标志
• 访问权限信息

访问段中的一个字节，必须同时提供一个段选择子和一个偏移，段选择子提供对段描述符的访问，处理器从段描述符中获取段在线性地址空间里的地址，而后加上偏移。根据处理器当前特权级(CPL)决定能否访问段。

系统段、段描述符和门

进程运行环境：

• 代码
• 数据
• 堆栈段
• 任务状态段(TSS)
• LDT

GDT不通过段选择子和段描述符访问

IA-32门：特殊描述符（意思是入口）

• 调用门：访问与当前代码段特权级更高或相同的代码段，若调用需要切换特权级，处理器就切换到对应特权级的堆栈（新堆栈的段选择子从当前任务的TSS中获得）
• 中断门
• 陷阱门
• 任务门

提供高于用户特权级的系统过程/处理程序来进行保护性访问

任务状态段和任务门

TSS(riscv: Context)定义任务执行环境的状态，包含：

• 通用寄存器
• 段寄存器
• EFLAGS
• EIP
• 段选择子
• 三个堆栈段（三个特全级各一个）指针
• LDT选择子
• 页表基地址

中断和异常处理

外部、软件中断和异常通过中断描述符表(IDT)处理，包含访问中断和异常处理程序门描述符的集合

IDT和GDT不是段，IDT线性基地址包含在IDT寄存器(IDTR)中

IDT中描述符可以是中断门、陷阱门或任务门，处理器从int/bound指令收到一个中断向量，才去访问中断或异常处理程序。中断向量是IDT中门描述符的索引。任务门：任务切换访问处理程序

内存管理

支持物理寻址也支持虚拟分页

页目录基地址保存在CR3

分页只有2级：页目录$\rightarrow$页表$\rightarrow$

系统寄存器

• EFLAGS寄存器：
  • 系统标志和IOPL域控制任务和模式的切换、中断处理、指令跟踪和访问权限
• 控制寄存器
• 调试寄存器
• (G/L/I)DTR寄存器包含表的线性地址和限长
• 任务寄存器包含当前任务TSS的线性地址和大小
• 模型相关寄存器

运行模式

• 保护模式
• 实模式
• 系统管理态(SMM)
• 虚拟8086模式

上电后位于实模式，由控制寄存器CR0中的PE标志决定

EFLAGS

内存管理寄存器

限长以字节为单位

lgdt与sgdt分别装载和保存GDTR寄存器

控制寄存器

• CR0: 包含系统控制标志
• CR2: 包含页故障线性地址
• CR3: 页目录基地址寄存器(PDBR)，包含页目录表的物理基址和两个标志(PCD和PWT)
• CR4: 包含一组标志，控制扩展启用

CR0:

• PG (page): CR0[31]，分页
• CD (cache disable): CR0[30]，为1 disable cache
• NW (no-direct write): CR0[29]，写操作写回/写穿透
• AM (align mask): CR0[18]，对齐屏蔽
• WP (write protection): CR0[16]，管理程序能否写用户级的只读页；fork时COW依赖
• NE (number error)：CR0[5]，浮点错误
• PE (protection enable): CR0[0]，启用保护模式，启用段级保护

CR3:

• PCD (page cache disable): CR3[4]，禁用页级高速缓存
• PWD (page write transparent): CR3[3]，控制页目录表的写回/写穿透

CR4:

• VME
• PVI (protection-mode virtual interrupt)
• TSD (timestamp disable): RDTSC指令
• DE (debug extension)
• PSE (page size extension): 4K->4M
• PAE (physical address extension): 32->36位物理寻址
• MCE (machine check enable)
• PGE (page global enable)
• PCE (performance counter enable)

CR4的位能够通过CPUID指令获取

保护模式内存管理

分段隔离每个进程，分段功能不可关闭

只有逻辑地址（远指针）确定字节在特定段中的位置

逻辑地址：段选择子+偏移

保护模式，物理地址空间4GB：0~0xffffffff

逻辑地址中段选择子在段寄存器中，一个程序内所有访存共享；用户只提供偏移

段选择子

段选择子16位，为段的标识码，并不直接指示段，而是指向定义段的段描述符

• 索引[3:15]：选择GDT或LDT中8192个描述符中的某个，处理器将索引值*8 + GDT/LDT base
• 表指示标记(TI)[2]：确定使用哪个描述符表，0 - GDT，1 - LDT
• 请求的特权级(RPL)[0:1]：确定选择子的特权级，0~3

GDT第一项无效，为空段选择子，装载至段寄存器时无异常，但用来访存时产生异常，但装载CS或SS产生一般保护异常(#GP)

段寄存器

• CS: 代码
• DS, ES, FS, GS: 数据
• SS: 堆栈

段寄存器有可见、不可见部分，段选择子可见，不可见称为描述符高速缓存/影子寄存器

段描述符

64位

• 段界限域：20位，根据段是向上扩展段/向下扩展段，偏移从0或段界限开始，到段界限或0xffffffff/0xffff结束；根据G(粒度)设置不同，解释方式不同：
  • 若G为0，则段大小从1字节到1M字节，增量单位为字节
  • 若G为1，则断大小从4K字节到4G字节，增量单位为4K字节
• S(描述符类型标志)：0 - 系统描述符，1 - 代码、数据段描述符
• DPL(描述符特权级)：0~3
• P(present)：是否在内存中，为0时装在段选择子则返回段不存在异常#NP，MM可通过改标志控制哪些段真正载入物理内存。
• D/B(默认操作数大小/默认栈指针大小/上限)：根据段类型，作用不同（32位代码和数据段，始终为1，16位为0）：
  • 可执行代码段：为D标志，指明指令的有效地址和操作符的默认位数，1 - 32位地址，32/8位操作符；0 - 16位地址，16/8位操作符
  • 堆栈段(SS所知数据段)：为B标志，为栈操作确定栈指针大小，1 - 32位栈指针，位于esp寄存器；0 - 16位栈指针，位于sp寄存器
  • 向下扩展的数据段：B标志，确定段地址上界，1 - 0xffffffff，0 - 0xffff
• type: [[3:1], Accessed], [3:0]
  • S位为0时:
    • 000: RO data
    • 001: R/W data
    • 010: RO stack
    • 011: R/W stack
    • 100: XO code
    • 101: X/R code
    • 100: XO code, confirming
    • 101: X/R code, confirming

代码段一致性/非一致性，转入特权级更高的一致性代码段的进程能够以当前特权级继续执行；转入不同特权级的非一致性段会产生一般保护异常。不能被特权级更低程序访问的程序应该被载入非一致性代码段

进程不能够因为call或者jump转入一个特权级较低的代码段执行，否则会产生一般保护异常#GP

所有数据段都是非一致性的，数据段不能被更低特权级的进程访问；数据段可以被更高优先级的程序或过程访问，不需要使用特别的访问门

系统描述符类型

S位0时为系统描述符

• LDT
• TSS
• 调用门
• 中断门
• 陷阱门
• 任务门

分两类：

• 系统段描述符
• 门描述符

中断门描述符为IDT表项

段描述符表

长度可变，最多包涵8192($2^{13}$)个8字节描述符

系统必须定义一个GDT，以备所有进程或任务使用，也可以定义一个/多个可共享的LDT

GDT本身不是一个段，而是线性地址空间的一个数据结构，线性基地址和界限必须装入GDTR寄存器，基地址8字节对齐，界限应该总是8的整数倍-1

LDT位于类型为LDT的系统段内，GDT必须包含一个指向LDT段的描述符

当保存GDTR寄存器时，48位伪描述符存入内存，应该放入一个奇字地址上（地址对4取模为2）

分页

由处理器控制寄存器的3个标志控制：

• PG(分页)
• PSE(页尺寸)
• PAE(物理地址扩展)

需要4个数据结构：

• 页目录指针表（启用扩展时）
• 页目录表
• 页表
• 页

格式：

任务管理

任务结构

任务由两部分构成：任务执行空间和任务状态段

任务执行空间由代码段、栈段、一个或多个数据段组成，为每个特权级提供独立的栈

任务状态

• 任务的当前执行空间，由段寄存器(CS、DS、SS、ES、FS和GS)中的段选择子指定
•  通用寄存器的状态
•  EFLAGS寄存器的状态
•  EIP寄存器的状态
•  控制寄存器CR3的状态
•  任务寄存器的状态
•  LDTR寄存器的状态（段选择子）
•  I/O位图基地址和I/O位图(位于TSS中)
•  特权级0、特权级1和特权级2的栈指针(位于TSS中)
•  指向前一个执行过的任务的链接(位于TSS中)

任务调度之前，除任务寄存器状态外都要在TSS中设置

执行任务

调度任务执行：

• call
• jmp
• 隐式中断/异常处理程序
• iret

用指向任务门或TSS的段选择子来识别被调度任务，调度任务处理中断异常时，相应中断/异常IDT项必须包含一个任务门，门中含有指向中断或异常处理程序任务的TSS选择子

任务调度：当前任务执行环境(context)被保存进TSS，而后挂起，而后处理器加载新任务context到寄存器，跳转到eip执行新任务

如果是由当前任务(调用任务)调用了被调度的任务(被调任务)而发生了任务切换，则把调用任务的TSS的选择子保存到被调任务的TSS 中，以提供返回调用任务的链接

不允许任务递归，任务不能调用或跳转到自身

可通过切换任务到处理程序任务来处理中断和异常，处理中断嵌套，允许每个任务拥有一个不同的基于LDT段的从逻辑到物理地址的映射机制。任务切换重新装在CR3

任务管理数据结构

• 任务状态段(TSS)
• 任务门描述符
• TSS描述符
• 任务寄存器
• EFLAGS NT bit

TSS:

TSS描述符:

TSS段也是通过段描述符定义，只能放在GDT中

任务寄存器:

保存16位段选择子和当前任务的TSS描述符，分为软件可见/不可见部分，可见部分段选择子指向GDT中TSS描述符，不可见部分为缓存

任务门描述符:

门描述符提供对任务的间接访问

只可通过任务门描述符或者TSS描述符来访问一个任务，满足以下需求：

• 任务只有一个忙标志，每个任务只有一个TSS描述符，但可能有很多任务门指向同一个TSS描述符
• 提供对任务选择性访问
• 通过一个独立任务处理中断或异常，任务门在IDT中

任务切换

发生方式：

• 进程、任务或例程执行了一个jmp或者call指令到GDT中的一个TSS描述符
• ~GDT中的一个任务门描述符
• 一个中断或者异常向量，指向IDT中的一个任务门描述符
• 当前任务执行iret，EFLAGS NT标志置位

处理器动作：

1. 从jmp或call指令操作数、任务门、前一个任务链接域中获取新任务TSS段选择子
2. 检验老任务是否允许切换，数据访问特权
3. 检验新任务TSS描述符有存在标志且界限合法
4. 检验新任务是可用或者忙的
5. 检验老TSS、新TSS和所有用于任务切换的段描述符都被分页到系统内存中
6. 如果是由jmp或iret指令发动的任务切换，则处理器清除老任务TSS描述符B标志
7. 如果是由iret指令发动的任务切换，处理器清除临时保存EFLAGS寄存器镜像的NT标志
8. 保存老任务状态到TSS中，从任务寄存器中找出当前TSS基地址，复制寄存器到TSS中（GPR，段寄存器中的段选择子、临时保存的EFLAGS寄存器映像、EIP）
9. 如果是由call指令、异常或中断发动的任务切换，处理器将设置新任务EFLAGS NT标志
10. ~新任务TSS描述符B标志
11. 用段选择子和新任务TSS描述符加载任务寄存器
12. TSS状态加载到处理器，包括：LDTR寄存器、PDBR(CR3)、EFLAGS、EIP、GRP、段选择子
13. 与段选择子相关的描述符加载、验证
14. 执行新任务

新任务不继承挂起任务的特权级，新任务在CS寄存器CPL域指定的特权级上运行

任务切换发生时，CR0中TS(task switch)标志被置位

任务链接

TSS前一个任务链接域和EFLAGS NT标志用于返回前一个执行的任务

NT标志表明当前TSS的前一个任务链接域已经加载了已保存的TSS段选择子

使用忙标志可防止递归任务切换，一个TSS智能保存一个任务context

忙标志管理：

• 当调度一个任务时，set新任务忙标志
• 任务切换期间，当前任务置于嵌套链中，忙标志保持置位
• 切换到新任务时，若新任务忙标志置位，则产生异常（iret除外）
• 当任务由于跳转到新任务(jmp)或发出iret指令结束，则处理器清除忙标志

在需要从连接的任务链中提出一个任务时，按以下步骤：

1. 关中断
2. 改变后一个新任务TSS的前一个任务链接域，指向当前任务前一个更老任务
3. 清除TSS忙标志
4. 开中断

任务地址空间

任务地址空间由可访问的段构成，包括TSS引用的代码、数据、栈、系统等段

TSS的LDT段域可以给每个任务自己的LDT，可以做到把每个任务相关的段都放置在自己任务的LDT中，以便把自己的地址空间与其他任务隔绝

几个任务也可能使用同一个LDT，允许任务通讯和控制的方法

所有任务都访问GDT，也可以创建通过这个表中的段描述符访问的共享数据段

CR3页表集也可以被共享