微机接口技术第三章(2)

1、微机接口技术微机接口技术微机接口技术微机接口技术第三章第三章 微处理器编程模型微处理器编程模型(3.3,3.4)(3.3,3.4)微机接口技术微机接口技术3.3 CPU工作模式微机接口技术微机接口技术CPUCPU工作工作模式模式 从从8038680386开始，开始，IntelIntel的的3232位位CPUCPU具有具有三三种种运行模式：运行模式：u 实模式实模式u 保护模式保护模式u 虚拟虚拟80868086模式模式微机接口技术微机接口技术实模式（实模式（RealReal modemode）特点：特点： 1 1、兼容、兼容80868086，寻址机制、中断处理机制均，寻址机制、中断处理机制均和

2、和80868086相同。相同。 2 2、只使用低、只使用低2020位地址线位地址线，寻址空间为，寻址空间为2 220 20 = = 1MB1MB地址空间。地址空间。 3 3、采用分段式内存管理，物理地址形成为、采用分段式内存管理，物理地址形成为1616位位“段首址：偏移段首址：偏移”。段最大为。段最大为2 216 16 = = 64KB64KB。 4 4、3232位位CPUCPU加电或者复位后处于实模式。加电或者复位后处于实模式。微机接口技术微机接口技术 5 5、不支持硬件上的多任务切换。、不支持硬件上的多任务切换。 6 6、不支持特权级。、不支持特权级。 实模式下，存储器保留两个专用区：实模

3、式下，存储器保留两个专用区： 1 1、初始化程序区初始化程序区：FFFF0HFFFFFHFFFF0HFFFFFH，存放，存放进入进入ROMROM引导程序的一条跳转指令。引导程序的一条跳转指令。 2 2、中断向量表区中断向量表区：00000H00000H003FFH003FFH，在，在这这1K1K字节的存储空间中存放字节的存储空间中存放256256个中断服个中断服务程序的入口地址，每个入口地址占务程序的入口地址，每个入口地址占4 4个个字节，这与字节，这与80868086的情形相同。的情形相同。微机接口技术微机接口技术保护模式保护模式 特点：特点： 1 1、支持多任务和、支持多任务和特权级特权级

4、 。 2 2、支持内存分页机制，提供段式和页式、支持内存分页机制，提供段式和页式内存管理功能。内存管理功能。 3 3、物理寻址空间高达、物理寻址空间高达2 23232 = 4GB = 4GB（80386/8048680386/80486）或）或2 236 36 = 64GB= 64GB（PentiumPentium及以上及以上CPUCPU）。）。重点重点微机接口技术微机接口技术 4 4、引入虚拟存储器的概念，以扩充编程、引入虚拟存储器的概念，以扩充编程者所使用的地址空间，段内偏移地址者所使用的地址空间，段内偏移地址3232位，位，每个段最大每个段最大2 23232B=4GBB=4GB，每个程序

5、最多可以，每个程序最多可以使用使用16K16K个段，理论上的虚拟地址空间为个段，理论上的虚拟地址空间为4GB4GB16K=64TB16K=64TB。 5 5、提供了一系列的保护机制，如任务地、提供了一系列的保护机制，如任务地址空间的隔离，设置特权级，设置特权指址空间的隔离，设置特权级，设置特权指令，进行访问权限令，进行访问权限( (如只读、只执行如只读、只执行) )及段及段限检查等。限检查等。微机接口技术微机接口技术虚拟虚拟80868086模式模式特点：特点：1 1、兼容、兼容80868086程序，又称程序，又称“V86V86模式模式”。2 2、V86V86模式以任务的形式在保护模式上执模式以

6、任务的形式在保护模式上执行。操作系统中有专门的行。操作系统中有专门的V86V86管理程序。管理程序。3 3、采用模拟的方法实现特权指令。、采用模拟的方法实现特权指令。 微机接口技术微机接口技术CPUCPU的的3 3种运行模式种运行模式以及切换以及切换实模式实模式保护模式保护模式V86V86模式模式ResetReset复位复位ResetReset复位、复位、修改修改CR0CR0LMSWLMSW指令、指令、修改修改CR0CR0中断或异常中断或异常IRETDIRETD指令、指令、任务转换任务转换ResetReset复位复位CPUCPU的的3 3种运行模式及其切换种运行模式及其切换微机接口技术微机接口

7、技术64位CPU的工作模式 IntelIntel的的EM64TEM64T技术技术中包含：中包含： 1 1、IA-32IA-32 传统的模式（传统的模式（Legacy ModeLegacy Mode），本质上的，本质上的3232位位x86x86时代的时代的IA-32IA-32模式。模式。 2 2、IA-32eIA-32el兼容模式兼容模式 允许允许6464位操作系统运行基于位操作系统运行基于3232位和位和1616位代码的位代码的程序。程序。l6464位模式位模式 EM64T EM64T技术中最为高效的模式。技术中最为高效的模式。要求要求纯纯6464位环境位环境的支持，包括的支持，包括6464位

8、操作系统和位操作系统和6464位应用程序。位应用程序。微机接口技术微机接口技术3.4 内存管理微机接口技术微机接口技术内存管理基础 1 1、物理地址物理地址 物理地址是从微处理器引脚上输出的物理地址是从微处理器引脚上输出的地址信号。地址信号。 内存中的每一个字节都有一个惟一的内存中的每一个字节都有一个惟一的地址。地址。微机接口技术微机接口技术2 2、逻辑地址逻辑地址 逻辑地址包含逻辑地址包含段段地址地址和偏移和偏移两部分两部分。l1616位位CPUCPU系统中系统中： 逻辑地址为段首址的高位部分和偏移量逻辑地址为段首址的高位部分和偏移量。物理地址物理地址= =段寄存器段寄存器16+16+偏移偏

9、移量量。如逻辑地址为如逻辑地址为8000H8000H：0001H0001H则物理地址则物理地址=8000H=8000H10H+0001H=80001H10H+0001H=80001H微机接口技术微机接口技术l3232位位CPUCPU系统中系统中 逻辑地址逻辑地址，也叫虚拟地址。，也叫虚拟地址。1616位段选位段选择符加上择符加上3232位偏移量，总共是位偏移量，总共是4848位位地址，地址，其中段选择符的其中段选择符的2 2位位RPLRPL与虚拟地址的转换与虚拟地址的转换无关，因此可以认为虚拟地址是无关，因此可以认为虚拟地址是4646位的，位的，即即虚拟地址空间最大为虚拟地址空间最大为2 24

10、646字节。字节。如如3232位位CPUCPU中中DS:EBXDS:EBX就是一个虚拟地址就是一个虚拟地址。TIselectoroffsetINDEXRPL微机接口技术微机接口技术3、线性地址线性地址 内存分段管理部件将虚拟地址转换为线内存分段管理部件将虚拟地址转换为线性地址。性地址。 同一个线性地址得到的物理地址可以不同一个线性地址得到的物理地址可以不同。同。 3232位位CPUCPU系统中段基址和偏移量都是系统中段基址和偏移量都是3232位位的，所以线性地址是的，所以线性地址是3232位的。线性地址空位的。线性地址空间的范围是间的范围是2 23232=4GB=4GB，即，即00000000

11、H00000000HFFFFFFFFHFFFFFFFFH。微机接口技术微机接口技术4、物理地址、线性地址和逻辑地址转换 给定一个逻辑地址，其物理地址给定一个逻辑地址，其物理地址是是唯唯一的一的，给定，给定一个物理地址可能对应到多个一个物理地址可能对应到多个逻辑地址上。逻辑地址上。例如例如1616位位CPUCPU系统中，系统中，已知逻辑地址已知逻辑地址317FH:2B83H317FH:2B83H，求物理地址。，求物理地址。3180H:2B73H3180H:2B73H的物理地址的物理地址呢？呢？解答：解答： 段首址段首址 = 317FH = 317FH 偏移偏移 = 2B83H = 2B83H 段

12、基址段基址 = 317FH = 317FH16 = 317F0H16 = 317F0H 物理地址物理地址 = = 段基址段基址 + + 偏移偏移 = 317F0H + = 317F0H + 2B83H = 34373H2B83H = 34373H微机接口技术微机接口技术3232位位CPUCPU系统中三者的转换系统中三者的转换18段式地址变换段式地址变换段寄存器的段寄存器的152152位位偏移量偏移量45 32 45 32 31 031 0段基址段基址 段描段描述符述符3232位线性地址位线性地址物理物理地址地址虚拟虚拟地址地址段基址段基址不开启分页部件的情况下，线性地址就是物理地址。不开启分页

13、部件的情况下，线性地址就是物理地址。微机接口技术微机接口技术例例 假定虚拟地址由段描述符假定虚拟地址由段描述符0100H0100H和偏移量和偏移量00002000H00002000H组成，禁止分页。如描述符中组成，禁止分页。如描述符中读出的段基址为读出的段基址为00030000H00030000H，那操作数的，那操作数的物理地址是多少？物理地址是多少？虚拟地址虚拟地址= =选择符：偏移量选择符：偏移量 =0100=0100：00002000H00002000H线性地址线性地址= =段基址段基址+ +偏移量偏移量 =00030000H+00002000H=00030000H+00002000H

14、=00032000H =00032000H此时禁止分页，故线性地址就是物理地址。此时禁止分页，故线性地址就是物理地址。微机接口技术微机接口技术基本数据类型 1 1、字节字节 字节（字节（B Byteyte）包含包含8 8个二进制位个二进制位。最高最高位简写为位简写为MSBMSB，即第，即第7 7位位。最低位简写为。最低位简写为LSBLSB，即第，即第0 0位位。微机接口技术微机接口技术 2 2、字字 不同的系列机关于字（不同的系列机关于字（WordWord）的定义）的定义不同不同，在，在Intel 80 x86Intel 80 x86系列中系列中1 1个字包括个字包括2 2字节，也就是字节，也

15、就是1616位二进制。这两个字节分位二进制。这两个字节分别称为高字节（别称为高字节（High Order ByteHigh Order Byte）和低）和低字节（字节（Low Order ByteLow Order Byte）。）。MSBMSB为第为第1515位位，LSBLSB为第为第0 0位。位。微机接口技术微机接口技术 3 3、双字双字 1 1个双字包括两个字，或者个双字包括两个字，或者4 4字节，也字节，也就是就是3232个二进制位。这两个字分别称为高个二进制位。这两个字分别称为高字（字（High Order WordHigh Order Word）和低字（）和低字（Low Low Or

16、der WordOrder Word）。）。微机接口技术微机接口技术数据的存储顺序l大端方案（大端方案（Big EndianBig Endian） 高字节和高字存储在低地址高字节和高字存储在低地址，低字节，低字节和低字存储在高地址。和低字存储在高地址。 SPARC SPARC、PowerPCPowerPC、PARCPARC等。等。l小端方案（小端方案（Little EndianLittle Endian） 低字节在低地址，高字节在高地址。低字节在低地址，高字节在高地址。IntelIntel系列系列CPUCPU。微机接口技术微机接口技术Intel 80X86系列CPU 1 1、字的存储顺序字的存

17、储顺序微机接口技术微机接口技术 2 2、双字的存储顺序双字的存储顺序微机接口技术微机接口技术3 3、地址对齐地址对齐l未对准字：地址不是未对准字：地址不是2 2的倍数。的倍数。l对准字：地址是对准字：地址是2 2的倍数。的倍数。l未对准双字：地址不是未对准双字：地址不是4 4的倍数。的倍数。l对准双字：地址是对准双字：地址是4 4的倍数。的倍数。 编程时应尽量使用对准字和对准双字。编程时应尽量使用对准字和对准双字。 如图如图3-203-20中读取中读取地址为地址为41001H41001H的字，结果的字，结果为为D660HD660H，为未对准字。，为未对准字。微机接口技术微机接口技术描述符描述符

18、 描述符是用以管理描述符是用以管理64TB64TB虚拟存储地址虚拟存储地址空间分段的基本元素。一个描述符对应虚空间分段的基本元素。一个描述符对应虚拟地址空间中的一个存储段。拟地址空间中的一个存储段。 描述符包括描述符包括段描述符、系统段描述符、段描述符、系统段描述符、局部描述符、调用门描述符、任务状态段局部描述符、调用门描述符、任务状态段描述符，以及任务门描述符等。描述符，以及任务门描述符等。微机接口技术微机接口技术段描述符段描述符 段描述符用于描述段描述符用于描述代码段、数据段和代码段、数据段和堆栈段堆栈段。 段描述符段描述符位于位于GDTGDT或或LDTLDT中，占中，占8 8字节字节，由

19、以下几个部分组成：段基址（由以下几个部分组成：段基址（3232位）、位）、限长（限长（2020位）、访问权限（位）、访问权限（8 8位）和属性位）和属性（4 4位）。位）。 29段描述符段描述符D7 D7 D0 D0段界限段界限 7070段界限段界限 158158基址基址 7070基址基址 158158基址基址 23162316基址基址 31243124TYPETYPES SAVLAVLDPLDPLP PG GD/BD/B0 0段界限段界限 191619160 01 12 23 34 45 56 67 730段描述符第段描述符第5 5字节访问字节访问权限，权限，非系统段（代码段、数非系统段（代

20、码段、数据段、堆栈段）的格式：据段、堆栈段）的格式：A AW WR REDEDC CE=0E=0E=1E=1S=1S=1DPLDPLP PD7 D0D7 D0存在位存在位1 1：装入内存：装入内存0 0：不在内存：不在内存特权位特权位S=1S=1是非系统段：数据段或者代码段是非系统段：数据段或者代码段S=0S=0是系统段描述符是系统段描述符代码段标代码段标志志数据段或者数据段或者堆栈段标志堆栈段标志一致位一致位0 0：非一致：非一致1 1：一致：一致可读位可读位访问位访问位扩展方向位扩展方向位1 1：向下扩展：向下扩展0 0：向上扩展：向上扩展 可写位可写位 31D7 D0D7 D0AVLAV

21、LG GD/BD/B0 0段界限段界限 19161916用户用户/ /操作系统可用位操作系统可用位 D/BD/B位，系统段不用这位位，系统段不用这位粒度位粒度位 ，=1=1以页为单位，以页为单位，=0=0以字以字节为单位节为单位D/BD/B位位代码段代码段(D(D位位) )D=1 D=1 使用使用3232位操作系统和位操作系统和3232位寻址方式位寻址方式D=0 D=0 使用使用1616位操作系统和位操作系统和1616位寻址方式位寻址方式 数据段数据段(B(B位位) )B=1 B=1 堆栈使用堆栈使用ESPESP寄存器，上限为寄存器，上限为FFFFFFFFHFFFFFFFFH B=0 B=0

22、堆栈使用堆栈使用SPSP寄存器，上限为寄存器，上限为FFFFHFFFFH 段描述符中的第段描述符中的第6 6字节：四位属性字节：四位属性思考：如何知道该段为代码段或数据段？思考：如何知道该段为代码段或数据段？微机接口技术微机接口技术 P3-7P3-7例子。分析例子。分析CS=001BHCS=001BH。SEGMENT LIMIT 15 . 0SEGMENT BASE 15 . 0 BASE 23.16 BASE 31.24GX0LIMIT19.16PDPLSTYPEA0347AVL0231615872431微机接口技术微机接口技术已知已知Windows XPWindows XP中各段寄存器及段

23、描述符的值中各段寄存器及段描述符的值如下，分析如下，分析CSCS对应的段描述符属性。对应的段描述符属性。 CS=001B DS=0023 ES=0023 SS=0023 FS=0030 CS=001B DS=0023 ES=0023 SS=0023 FS=0030 GS=0000GS=0000 GDTbase=E003F000 Limit=03FF GDTbase=E003F000 Limit=03FF E003F000 00 00 00 00 00 00 00 00-FF FF 00 00 00 9B CF 00 E003F000 00 00 00 00 00 00 00 00-FF FF

24、00 00 00 9B CF 00 E003F010 FF FF 00 00 00 93 CF 00-FF FF 00 00 00 FB CF 00 E003F010 FF FF 00 00 00 93 CF 00-FF FF 00 00 00 FB CF 00 E003F020 FF FF 00 00 00 F3 CF 00-AB 20 00 20 04 8B 00 80 E003F020 FF FF 00 00 00 F3 CF 00-AB 20 00 20 04 8B 00 80 E003F030 01 00 00 F0 DF 93 C0 FF-FF 0F 00 00 00 F3 40

25、00 E003F030 01 00 00 F0 DF 93 C0 FF-FF 0F 00 00 00 F3 40 00 E003F040 FF FF 00 04 00 F2 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00 E003F040 FF FF 00 04 00 F2 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00 微机接口技术微机接口技术 选择符选择符 类型类型 段基址段基址 结束地址结束地址 DPL DPL 0008 Code32 00000000 FFFFFFFF 0 P RE 0008 Code32 00000000 FFFFFFFF 0 P RE 001

26、0 Data32 00000000 FFFFFFFF 0 P RW 0010 Data32 00000000 FFFFFFFF 0 P RW 001B Code32 00000000 FFFFFFFF 3 P RE 001B Code32 00000000 FFFFFFFF 3 P RE 0023 Data32 00000000 FFFFFFFF 3 P RW 0023 Data32 00000000 FFFFFFFF 3 P RW 0028 TSS32 80042000 000020AB 0 P B 0028 TSS32 80042000 000020AB 0 P B 0030 Data32

27、 FFDFF000 00001FFF 0 P RW 0030 Data32 FFDFF000 00001FFF 0 P RW 003B Data32 00000000 00000FFF 3 P RW 003B Data32 00000000 00000FFF 3 P RW 0043 Data16 00000400 0000FFFF 3 P RW 0043 Data16 00000400 0000FFFF 3 P RW 0048 Reserved 00000000 00000000 0 NP 0048 Reserved 00000000 00000000 0 NP 微机接口技术微机接口技术内容内

28、容 二进制二进制7 70 0FFFF111111112111111112+0+0限长（位限长（位7-07-0）FFFF111111112111111112+1+1限长（位限长（位15-815-8）0000000000002000000002+2+2段基址（位段基址（位7-07-0）0000000000002000000002+3+3段基址（位段基址（位15-815-8）0000000000002000000002+4+4段基址（位段基址（位23-1623-16）FBFB111110112111110112+5+5P DPL SP DPL STYPETYPE A ACFCF11001111211

29、0011112+6+6GD0AVLGD0AVL限长（位限长（位19-1619-16）0000000000002000000002+7+7段基址（位段基址（位31-2431-24）微机接口技术微机接口技术 分析分析CSCS段描述符得：段描述符得： 段基址（位段基址（位31310 0）=00000000H=00000000H 限长（位限长（位19190 0）=FFFFFH=FFFFFH G=1G=1，限长是以页为单位的，段的大小为，限长是以页为单位的，段的大小为（FFFFFH+1FFFFFH+1）2 21212=100000H=100000H2 21212=2=23232=4GB=4GB。段的基址

30、为段的基址为00000000H00000000H，长度为，长度为4GB4GB，其线，其线性地址范围为性地址范围为00000000H00000000HFFFFFFFFHFFFFFFFFH。微机接口技术微机接口技术 其他的各个位解释如下：其他的各个位解释如下： D=1D=1，因此这是一个，因此这是一个3232位的段。位的段。 AVL=0AVL=0。 P=1P=1，这个段在内存中。，这个段在内存中。 DPL=11DPL=112 2=3=31616，段的特权级为，段的特权级为3 3。 S=1S=1，这不是一个系统段，而是一个代码、数据段或，这不是一个系统段，而是一个代码、数据段或堆栈段。堆栈段。 E=

31、1E=1，这是一个代码段（可执行）。，这是一个代码段（可执行）。 C=0C=0，这不是一个一致代码段。因为，这不是一个一致代码段。因为E=1E=1，这一位是，这一位是C C；若若E=0E=0，这一位代表，这一位代表EDED。 R=1R=1，可以对这个段进行读操作。因为，可以对这个段进行读操作。因为E=1E=1，这一位是，这一位是R R；若；若E=0E=0，这一位代表，这一位代表W W。 试试解释解释DS=0023HDS=0023H所对应的段。所对应的段。微机接口技术微机接口技术段描述符高速缓存段描述符高速缓存 为了提高为了提高CPUCPU的运行效率在的运行效率在CPUCPU内部设内部设置了段描

32、述高速缓存，这些缓存不可见，置了段描述高速缓存，这些缓存不可见，自动装入段描述符。段描述符高速缓冲的自动装入段描述符。段描述符高速缓冲的内容和内容和6 6个段描述符寄存器索引的描述符个段描述符寄存器索引的描述符当前值保持一致。当前值保持一致。用户不可见。用户不可见。微机接口技术微机接口技术页式内存管理页式内存管理 保护模式下的保护模式下的CPUCPU支持分页机制支持分页机制，并且分，并且分页管理是在分段管理机制的基础上工作，页管理是在分段管理机制的基础上工作，它将它将分段管理机制得到的线性地址转换为分段管理机制得到的线性地址转换为物理地址物理地址。 使用分页机制的使用分页机制的好处好处在于，它

33、可以把每个在于，它可以把每个活动任务当前所必需的少量页面放在内存活动任务当前所必需的少量页面放在内存中，而不必将整个段调入内存，从而中，而不必将整个段调入内存，从而提高提高了内存的使用效率了内存的使用效率。微机接口技术微机接口技术分页分页 每一个任务都有它自己的线性地址空间。每一个任务都有它自己的线性地址空间。分页管理时分页管理时所有页的长度固定，页与页之间所有页的长度固定，页与页之间也没有重叠。也没有重叠。 假定页面大小为假定页面大小为4KB4KB，则，则3232位位CPUCPU将将4GB4GB的的线性地址空间划分成线性地址空间划分成2 22020页。固定长度的页可页。固定长度的页可能会产生

34、碎片，会浪费一些内存空间。能会产生碎片，会浪费一些内存空间。微机接口技术微机接口技术分页机制下分页机制下线性地址转换为物理地址的过程线性地址转换为物理地址的过程 分页机制就是一种将线性地址的页分页机制就是一种将线性地址的页面映射到物理地址页面的手段，也就是从面映射到物理地址页面的手段，也就是从线性地址到物理地址的转换过程。分页机线性地址到物理地址的转换过程。分页机制中用到了两个表：制中用到了两个表：页表目录表和页表页表目录表和页表。微机接口技术微机接口技术3232位线性地址被划分为位线性地址被划分为3 3个部分：个部分：页目录索引页目录索引 页表索引页表索引 字节索引字节索引其中第其中第1 1

35、项是对页目录（项是对页目录（Page DirectoryPage Directory）的索引，第的索引，第2 2项是对页表（项是对页表（Page TablesPage Tables）的索）的索引，第引，第3 3项是线性地址在页面内的偏移。项是线性地址在页面内的偏移。1010位位1212位位1010位位微机接口技术微机接口技术线性地址转换为物理地址的过程线性地址转换为物理地址的过程Linear Address从何而来？从何而来？微机接口技术微机接口技术页表项页表项 页表项就是在分页转换时用到的页表项就是在分页转换时用到的页表描述页表描述符符和和页描述符页描述符，都是，都是3232位，页表项格式如

36、图位，页表项格式如图3-3-2929。高高2020位基地址位基地址AVLAVL0 0D D0 0A A0 00 0R/WR/WU/SU/SP P31 12 11 10 9 8 7 6 5 31 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 04 3 2 1 03 3位位, ,由操由操作系统使作系统使用用1:1:有写操作有写操作0:0:没有写操作没有写操作只用于页描述符只用于页描述符访问标志访问标志1:1:访问过访问过0:0:没有访问过没有访问过0:0:管理员模式管理员模式1:1:用户模式用户模式针对应用程序针对应用程序0:0:读读1:1:可读写可读写存在位存在位. .1:1:存在存在0:0:不存在不存在微机接口技术微机接口技术 页目录、页表和物理页的基地址的低页目录、页表和物理页的基地址的低1212位位全部为全部为0 0，定位在页的边界上。，定位在页的边界上。 页表项的低页表项的低1212位提供保护功能和统计信息。位提供保护功能和统计信息。U/SU/S位、位、R/WR/W位、位、P P