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x86 架构微处理器

x86 架构微处理器

  • 微处理器基本结构
    • 重要结构
      • 总线接口单元（BIU）：包括数据、控制、指令总线，连接各个组件，用于传递信息。
      • 中央处理单元（CPU）：包括指令读取、指令译码、执行单元等。
      • 内存管理单元（MMU）：包括分段和分页组件，负责内存管理和保护、地址转换等。
    • 工作模式
      • 实模式：CPU 复位后的默认模式，字长只到 16 位，任何代码都具有完全权限。
      • 保护模式：从实模式提示后的模式，字长到达 32 位，支持高级功能，划分特权级。
      • 虚拟 8086 模式：保护模式下模拟实模式，具有一定兼容性，但权限受限，特权指令需要模拟。
  • 寄存器
    • 通用寄存器
      • EAX：累加器，主要用于算术运算和数据传输。
      • EBX：保存数据，常用于基址寄存器，即作为一段连续内存区域的起始地址。
      • ECX: 保存数据，常用于循环计数器。
      • EDX：保存数据，在使用乘除法指令时保存数据的专用区域。
      • EBP：保存栈帧基址，启用 FPO 后，无特殊职责，可以用于其他用途。
      • EDI：常用于目的操作数索引。
      • ESI：常用于源操作数索引。
      • ESP：固定用于保存栈顶地址。
    • 段寄存器
      • CS：代码段寄存器。
      • DS：数据段寄存器。
      • SS：堆栈段寄存器。
      • ES：附加数据/扩展段寄存器。
      • FS、GS：无明显的命名含义，常用于线程局部存储。
      • 所有的段寄存器都是 16 位。
      • 实模式下，段寄存器保存段基址的高 16 位。
      • 保护模式下，段寄存器保存段选择符，间接表示段基址。
    • 标志寄存器
      • CF、ZF、SF、OF 参考计算机系统部分的介绍。
      • PF：即 Parity Flag，若运行结果的最低 8 位为 res8，则 PF == popcount(res8) % 2。
      • AF：即 Auxiliary Carry Flag，若运行结果的最低 4 位向次低 4 位进位或借位，则为 1。
      • TF：即 Trap Enable Flag，为 1 时每条指令执行后产生中断，用于单步调试。
      • IF：即 Interrupt Enable Flag，为 1 时允许接收中断。
      • DF：即 Direction Flag，为 0 时串操作地址自动递增，为 1 时自动递减。
      • IOPL：表示 IO 操作的所需最低特权级，取值 0 到 3。
      • NT：即 Nested Task Flag，仅保护模式可用，如果任务执行在另外一个任务中，则为 1。
      • VM：为 1 时，处于虚拟 8086 模式。
    • 控制寄存器
      • CR0：包括机器状态。
        • 第 0 位 PE：即 Protection Mode Enable，设置为 1 则进入保护模式。
        • 第 1 位 MP：即 Monitor Coprocessor Extension，若存在协处理器则为 1。
        • 第 2 位 EM：即 Emulate Processor Extension，为 1 时使用软件运算，为 0 用硬件协处理器运算。
        • 第 3 位 TS：即 Task Switched，任务切换后被设为 1。
        • 第 4 位 ET：即 Extension Type，协处理器选择标志，80386 以后，为 1 表示系统中存在协处理器。
        • 第 31 位 PG：即 Paging Enable，为 1 时启用分页内存管理。
      • CR1：保留，暂无意义。
      • CR2：页面故障线性地址寄存器，发生缺页中断时，保存要访问的虚拟地址。
      • CR3：页目录基址寄存器（PDBR），保存页目录表首地址，必须按页大小 4 KiB 对齐（低 12 位为 0）。
      • 所有控制寄存器都为 32 位。
    • 描述符表寄存器
      • 限长：长度减 1，地址偏移量或索引的合法区间。
      • GDTR：全局描述符表寄存器，表示全局描述符表（GDT）的位置，高 32 位记录基址，低 16 位记录内存大小限长。
      • IDTR：中断描述符表寄存器，表示中断描述符表（IDT）的位置，高 32 位记录基址，低 16 位记录内存大小限长。
      • LDTR：局部描述符表寄存器，16 位，保存 GDT 的选择符，对应局部描述符表（LDT）在 GDT 中的表项。
    • 任务管理寄存器
      • TR：16 位，保存 GDT 的选择符，对应 TSS 描述符在 GDT 中的表项。表示当前任务的上下文保存位置。
  • 内存管理
    • 实模式段式管理
      • 实模式下地址空间 20 位，但是 20 位地址无法直接表示，需要用段寄存器保存高 16 位。
      • 段的最大长度为 64 KiB（16 位）。
      • 地址用 base:offset 来指定，被转换为 base * 16 + offset。
      • 没有任何保护机制。
    • 保护模式段式管理
      • 段选择符
        • 段寄存器在保护模式下保存段选择符，不直接保存段基址。
        • 段选择符共 16 位，包括：
          • 第 15~3 位：表示 GDT 中的索引。
          • 第 2 位 TI：即 Table Indicator，表示用于在 GDT（TI 为 0）或 LDT 中查询。
          • 第 1~0 位 RPL：即 Requested Privilege Level。
        • 地址用 selector:offset 来指定，真正的段基址需要通过查询获得。
      • 段描述符
        • 段描述符共 64 位，包括基址、限长、其他信息位。
        • 基址 32 位，限长 16 位。
        • 按照从上往下地址增加的顺序表示段描述符结构（内存上的真实结构，无需小端序转换）：
        • Segment Descriptor
        • 第 5 字节第 7 位 P：即 Present，表示此段是否在内存中，与虚拟内存机制相关。
        • 第 5 字节第 6~5 位 DPL：描述特权级，即 Descriptor Privilege Level，决定访问此段的权限。
        • 第 5 字节第 4 位 S：即 System，粗略划分描述符的类型。
          • S == 0 时，描述符为系统描述符或门描述符，这里的其他结构含义可能不再适用。
          • S == 1 时，描述符对应为代码段、数据段、堆栈段。
        • 第 5 字节第 3~1 位 Type：表示描述符的具体类型信息。
          • S == 1 时，第 3 位为 E，表示 Executable，第 2~1 位由 E 决定。
            • E == 0 时，Type 表示 E:ED:W，此段表示非代码段，不可以执行代码。
              • ED：即 Expansion Direction，确定扩展的方向，基本上为 0，即向高地址扩展。
              • W：即 Writable，为 1 时可写。
            • E == 1 时，Type 表示 E:C:R，此时段表示代码段，可以执行代码，必定只读。
              • C：即 Conforming，一致位。为 1 时，此段即使是高特权级，也可以被低特权级执行。
              • 代码段 C == 1 时，其他高特权级代码不可以调用此段，低特权级代码调用此段不提升特权级。
              • R：即 Readable，为 1 时可读。C == 0 时按照 R 控制权限。
        • 第 5 字节第 0 位 A：即 Accessed。
        • 第 4 字节第 7 位 G：即 Granularity，表示限长的单位。
          • G == 0 时，以字节为单位，有效偏移量最大为长度减 1，即等于限长。
          • G == 1 时，以页为单位，段的可用页数为限长加 1，有效偏移量最大为最后一页的最后地址。
        • 第 4 字节第 6 位 D：即 Default Operand Size，D == 1 时为 32 位，否则 16 位。
        • 段描述符具有专用的缓存，段寄存器不变时，可以加速读取。
      • 全局描述符表
        • 即 Global Descriptor Table（GDT），主要存放段描述符，也可以存放门描述符。
        • GDT 全局只有一个，表基址和限长存放在 GDTR 中。
        • 从 GDT 访问段内地址：
        • Segment Access Using GDT
      • 局部描述符表
        • 即 Local Descriptor Table（LDT）。LDT 每个任务一个。
        • 表基址和限长编码在一个段描述符中，LDTR 存放引用此段描述符的段选择符。
        • 查询 LDT 信息：
        • Lookup LDT
    • 保护模式页式管理
      • 页表描述符
        • 页表描述符结构（内存上的真实结构，无需小端序转换）：
        • Page Table Entry
        • 第 0 字节第 6 位 D：即 Dirty，是否向其中写入过内容。
        • 第 0 字节第 5 位 A：即 Accessed，是否访问过。
        • 第 0 字节第 2 位 U/S：即 User/Supervisor，为 0 时只有 OS 可以访问。
        • 第 0 字节第 1 位 R/W：即 Readonly/Writable，为 1 时可写。OS 任何时候都可写。
        • 第 0 字节第 0 位 P：即 Present，是否存在内存中。
        • 第 1 字节第 3~1 位 AVL：即 Available，供 OS 自行决定如何使用。
      • 页表结构
        • 32 位地址分为 3 部分，第 31~22 位为页目录索引，第 21~12 位为页表索引，剩下为页内偏移。
        • 地址转换过程：
        • Paging Address Translation
        • 多级页表中，读写等保护取各级页表的描述符中更严格的一个。
    • 保护模式段页式管理
      • 先段式转换，在页式转换。
      • 段式内存管理不再是主要作用，所有进程的使用同样的段，所有段是同样的基址和限长，即平坦模式。
      • 进程的地址空间通过页式管理隔离。
  • 任务管理
    • 任务环境
      • 每个任务有独立的代码段、数据段、4 个堆栈段（对应 4 个特权级）。
      • 每个任务都有一个 LDT，构成一个局部地址空间。
    • 任务状态段
      • 即 Task State Segment，一种 x86 ISA 规定的特殊结构，保存每个任务的上下文。
      • TSS 以段的形式存在，前 104 B 为固定格式，剩下部分存放任务的额外信息，包括 IO 许可位图。
      • TSS
      • IO 许可位图偏移量从 TSS 起始开始计算。
      • TSS 在 GDT 中存有对应的 TSS 描述符，属于系统描述符（S == 0）。
      • TR 存有当前任务的选择符，可以引用到 GDT 中的描述符。
    • 直接任务切换
      • 若目标任务的 TSS 对应的选择符为 selector，则通过 CALL selector:offset 实现切换。
      • offset 无实际作用，真正的目标代码位置由目标任务 TSS 保存的 IP 确定。
      • Direct Task Switch
    • 门
      • 门描述符
        • 属于系统描述符（S == 0），具体有 4 种类型，通过系统描述符的 Type 区分。
        • Gate Descriptor
        • 门包括调用门、任务门、中断门、陷阱门，都是实现了某种调用或跳转。
        • 门描述符的段选择符和偏移用于指定跳转的目标。
      • 调用门
        • 若门描述符对应的选择符为 selector，则通过 CALL selector:offset 可以调用指定的门。
        • 通过门调用时，offset 无实际作用，真正的跳转目标在门描述符种。
        • 通过调用门可以暂时提升特权级执行目标代码，返回后特权级还是低的。
        • 调用的参数需要复制到目标堆栈，参数个数记录在门描述符中，参数占用大小为个数乘字长。
        • Call Gate
      • 任务门
        • 门描述符中，段选择符部分引用某个 TSS 段描述符，偏移不使用（与直接任务切换相同）。
        • 通过 CALL 或 JMP，实现间接任务切换（与调用门类似）。
        • Task Gate
      • 中断门
        • 门描述符指向中断处理程序，位于 IDT。
      • 陷阱门
        • 门描述符指向故障/陷阱等异常处理程序，位于 IDT。
  • 保护机制
    • 特权级
      • Current Privilege Level：当前正在执行代码的特权级，当前 CS 中的最低 2 位。
      • Descriptor Privilege Level：描述符指向的代码或数据需要的最低特权级，包括在描述符中。
      • Requested Privilege Level：转换的特权级，可以用于降低权限，在段选择符最低 2 位。
    • 数据保护
      • 段访问操作：
        • 检查段选择符是否符合描述符表的限长。
        • 检查段描述符的 P，确认段是否存在。
        • 按照段描述符的 R、W 等控制是否可读、可写。
        • 特权级检查，DPL >= max(CPL, RPL)。
      • 段寄存器操作：
        • 对段描述符的 DPL 进行检查，DPL >= max(CPL, RPL)。
        • 装入 CS 时，检查对应的段描述符是否 E == 1。
        • 装入 DS 等段时，检查对应的段描述符是否 E == 0。
        • 装入 SS 时，额外检查 RPL == CPL。
    • 程序保护
      • 段内直接转移：特权级不改变，只检查限长、描述符是否存在。
      • 段间直接转移：
        • 目标段 C == 0 时，额外检查 DPL == CPL，不改变特权级，RPL 无用。
        • 目标段 C == 1 时，额外检查 DPL >= max(CPL, RPL)，不改变特权级。
      • 段间间接 CALL 转移：通过门实现。
        • 目标段 C == 0 时，额外检查 DPL_gate >= max(CPL, RPL)、DPL_code <= CPL，改变特权级为 DPL_code。
        • 目标段 C == 1 时，额外检查 DPL_gate >= max(CPL, RPL)、DPL_code <= CPL，不改变特权级。
      • 段间间接 JMP 转移：通过门实现。
        • 目标段 C == 0 时，额外检查 DPL_gate >= max(CPL, RPL)、DPL_code == CPL，不改变特权级，相比 CALL 不允许提权。
        • 目标段 C == 1 时，额外检查 DPL_gate >= max(CPL, RPL)、DPL_code <= CPL，不改变特权级。
      • 按 C 分类：
        • C == 0：特权级为目标段的权限，但实际上只有段间间接 CALL 转移允许有更高的目标段权限，其他均不变。
        • C == 1：特权级保持不变。
      • 只有通过段间间接 CALL 转移调用 C == 0 段的代码，才可以提权。
      • 所有的间接转移都不允许执行 DPL_code 特权级更低的代码，JMP 也不允许更高权限。
        • 防止权限泄露，执行不可信代码。
    • IO 保护
      • 当 IOPL >= CPL 时，任务允许进行任何 IO。
      • 每个任务包含一个 IO 许可位图，最长 8 KiB，对应 65536 个端口。
      • IO 许可位图的第 i 位为 1 时，允许任务对端口 i 读写，不受 IOPL 限制。
      • 如果 IO 指令同时访问多个端口，则只有所有端口都有权限时，指令才能成功执行。
      • TSS 中 IO 许可位图的偏移量必须大于等于 104 B（前面是上下文的固定区域），小于 56 KiB（段最长 64 KiB）。
指令系统