*** 作系统——day5

*** 作系统——day5 CPU工作模式

cpu工作模式有实模式、保护模式、长模式

实模式

又称地址模式，运行真实的指令，执行指令的真实功能，发往内存的地址是真实的

实模式寄存器

CPU是根据指令完成相应的功能，例如ADD，AX，CX这条指令，就是完成加法 *** 作，AX，CX是这条指令的 *** 作数， *** 作数可以是，寄存器、内存地址、常数

通用寄存器：里面可以存放数据、地址参与运算

程序指针寄存器（IP）：始终指向下一条指令的地址

栈指针寄存器（SP）：始终指向当前运行的栈顶

段寄存器（CS、DS、ES、SS）：存放一个内存段的基地址

CPU标志寄存器（FLAGS）：存放CPU执行运算指令产生的状态位

实模式下访问内存

数据和指令都是存放在内存中的，获取它们要访问内存靠地址值

取指地址：CS段寄存器（左移四位）+ IP寄存器

访问数据地址：DS、ES、SS段寄存器（左移四位）+ 寄存器

综上代码段是由CS和IP确定的，而栈段是由SS和SP段确定的

data SEGMENT ;定义一个数据段存放Hello Word！
	hello DB 'Hello world!$'
data ENDS
code SEGMENT ;定义一个代码段存放程序指令
	ASSUME CS:CODE,DS:DATA ;告诉汇编程序，DS指向数据段，CS指向代码段
start:
	MOV AX,data   ;将data段首地址赋值给AX
	MOV DS、AX    ;将AX赋值给DS，使DS指向data段
	LEA DX，hello ;使DX指向hello首地址
	MOV AH，09h   ;给AH设置参数09h，AH是AX高八位，AL是AX第八位
	INT 21h       ;执行DOS中断输出DS指向DX指向的字符串hello
	MOV AX，4C00h ;给AH设置参数4C00h
	INT 21h       ;调用4C00h号功能，结束进程
code ENDS
END start

实模式中断

中断即中止执行当前程序，转而跳转到另一个特定的地址上去运行其他代码。在实模式下实现过程是先保存CS和IP寄存器，然后重新装载新的CS和IP寄存器

中断如何产生

第一种情况：中断控制器给CPU发送一个电子信号，CPU做出应答，随后中断控制器将中断号发送给CPU，这是硬件中断

第二种情况：CPU执行了INT指令，这个指令后面通常会跟一个常数（软中断号），这是软件中断

为了实现中断，需要在内存中存放一个中断向量表，表的地址和长度由CPU特定寄存器IDTR指向，实模式下，表中的一个条目由代码段地址和段内偏移组成

有了中断号，CPU就根据IDTR寄存器计算出中断向量中的条目，进而装载CS（状如代码段及地址）IP（装入代码段内偏移），最后响应中断

保护模式

实模式导致什么样的代码都可以运行，原因有两点，第一，CPU对任何指令不加区分的执行，第二，CPU对访问内存的地址不加限制

综上所述，CPU实现了保护模式。

保护模式寄存器

32位通用寄存器：里面可以存放数据、地址、参与运算

32位指针寄存器：始终指向下一条指令的地址

栈指针寄存器：始终指向当前栈顶

16位段寄存器：里面存放一个内存段的描述符索引

32位CPU标志寄存器：里面存放CPU执行运算指令产生的状态位

32位CPU控制寄存器：控制CPU的功能控制特性，如开启保护模式

保护模式特权级

为了区分哪些指令（如in、out、cli）和哪些资源（如寄存器、I/O端口、内存地址）可以被访问，CPU实现了特权级

特权级分为四级R0~R3，R0可以执行所有指令。内存的访问是靠段描述符和特权级相互配合去实现

保护模式段描述符

16位段寄存器放不下32位的段基地址和段内偏移，把描述一个段的信息封装成特定格式的段描述符，放在内存中

多个段描述符在内存中形成全局段描述表，该表的基地址和长度由CPU和GDTR寄存器指示

访问一个内存地址时，段寄存器中的索引首先会结合GDTR寄存器找到内存中的段描述符，再根据其中的段信息判断能不能访问成功

保护模式段选择子

CS DS ES SS FS GS这些段寄存器，都是由影子寄存器，段描述符索引，描述符表索引，权限级别组成

影子寄存器是一个段描述符的高速缓存，不然每次都要去内存访问

通常CS和SS中的RPL就组成了CPL（当前权限级别），所以通常RPL=CPL，当CPL大于目标段DPL时，CPU禁止访问，反之CPU可以访问

保护模式平坦模型

X86CPU不能直接使用分页模型，而是要在分段模型的前提下，根据需要决定是否分页。我们可以简化设计使分段称为“虚设”，这就是平坦模型

CPU32位寄存器最多只能产生4GB大小的地址，而一个段长度也只能是4GB，我们把所有段的基地址设为0，段的长度设为0xFFFFF，段长度的粒度设为4KB，这样所有的段都指向同一个字节大小的地址空间

;hello OS中段描述符表
GDT_START:
knull_dsc:dq 0
;第一个段描述符cpu硬件规定必须为0
kcode_dsc:dq 0x00cf9e000000ffff
;段基地址=0，段长度=0xfffff
;G=1,D/B=1,L=0,AVL=0
;P=1,DPL=0,s=1
;T=1,C=1,R=1,A=0
kdata_dsc: dq 0x00cf92000000ffff
;段基地址=0,段长度=0xfffff
;G=1,D/B=1,L=0,AVL=0
;P=1,DPL=0,S=1
;T=0,C=0,R=1,A=0
GDT_END

GDT_PTR:
GDTLEN dw GDT_END-GDT_START-1
GDTbase dd GDT_START

保护模式中断

保护模式下的中断要权限检查，还有特权级的切换，需要扩展中断向量表的信息，每一个中断用一个中断门描述符表示

要实现中断，内存中要有一个中断向量表，是由IDTR寄存器指向，中断向量表中的条目是中断门描述符

产生中断后，CPU会先检查中断号，接着检查中断门描述符中的段选择子指向的段描述符，最后权限检查

长模式

64位处理能力

长模式寄存器

增加了通用寄存器，扩展了通用寄存器的位宽

64位通用寄存器

64位程序指针寄存器

栈指针寄存器

16位段寄存器

64位CPU标志寄存器

64位CPU控制寄存器（CR0是32位）

长模式段描述符

CPU不再对段基址和段长度进行检查，只对DPL进行相关的检查

长模式中断

同样在内存中有一个中断门描述符表

总结

1.实模式：早期CPU位置支持单道程序运行实现，单道程序能掌控计算机所有的资源，分段的内存模型，对指令不加限制地运行，对内存没有保护隔离作用

2.保护模式：包含特权级，对指令及其访问的资源进行控制，对内存段与段之间的访问进行严格的检查，对中断的响应也要进行严格的权限检查

3.长模式：在保护模式的基础上，把寄存器扩展到64位。弱化了段模式管理，只保留了权限级别的检查，忽略了段基址和段长度，地址的检验交给MMU