本節重點講解了 32 位 x86 處理器的基本架構特點。這些處理器包括了 Intel IA-32 系列中的成員和所有 32 位 AMD 處理器。

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操作模式

x86 處理器有三個主要的操作模式：保護模式、實地址模式和系統管理模式；以及一個子模式：虛擬 8086 (virtual-8086) 模式，這是保護模式的特殊情況。以下是對這些模式的簡介：

1) 保護模式 (Protected Mode)

保護模式是處理器的原生狀態，在這種模式下，所有的指令和特性都是可用的。分配給程序的獨立內存區域被稱為段，而處理器會阻止程序使用自身段范圍之外的內存。

2) 虛擬 8086 模式 (Virtual-8086 Mode)

保護模式下，處理器可以在一個安全環境中，直接執行實地址模式軟件，如 MS-DOS 程序。換句話說，如果一個程序崩潰了或是試圖向系統內存區域寫數據，都不會影響到同一時間內執行的其他程序。現代操作系統可以同時執行多個獨立的虛擬 8086 會話。

3) 實地址模式 (Real-Address Mode)

實地址模式實現的是早期 Intel 處理器的編程環境，但是增加了一些其他的特性，如切換到其他模式的功能。當程序需要直接訪問系統內存和硬件設備時，這種模式就很有用。

4) 系統管理模式 (System Management Mode)

系統管理模式 (SMM) 向操作系統提供了實現諸如電源管理和系統安全等功能的機制。這些功能通常是由計算機制造商實現的，他們為了一個特定的系統設置而定制處理器。

基本執行環境

1) 地址空間

在 32 位保護模式下，一個任務或程序最大可以尋址 4GB 的線性地址空間。從 P6 處理器開始，一種被稱為擴展物理尋址 (extended physical addressing) 的技術使得可以被尋址的物理內存空間增加到 64GB。

與之相反，實地址模式程序只能尋址 1MB 空間。如果處理器在保護模式下運行多個虛擬 8086 程序，則每個程序只能擁有自己的 1MB 內存空間。

2) 基本程序執行寄存器

寄存器是直接位于 CPU 內的高速存儲位置，其設計訪問速度遠高于傳統存儲器。例如，當一個循環處理為了速度進行優化時，其循環計數會保留在寄存器中而不是變量中。

下圖展示的是基本程序執行寄存器（basic program execution registers）。8 個通用寄存器，6 個段寄存器，一個處理器狀態標志寄存器（EFLAGS），和一 個指令指針寄存器（EIP）。

通用寄存器

通用寄存器主要用于算術運算和數據傳輸。如下圖所示，EAX 寄存器的低 16 位在使用時可以用 AX 表示。

一些寄存器的組成部分可以處理 8 位的值。例如，AX 寄存器的高 8 位被稱為 AH，而低 8 位被稱為 AL。同樣的重疊關系也存在于 EAX、EBX、ECX 和 EDX 寄存器中：

32 位16 位8 位（高）8 位（低）

EAX	AX	AH	AL
EBX	BX	BH	BL
ECX	CX	CH	CL
EDX	DX	DH	DL

其他通用寄存器只能用 32 位或 16 位名稱來訪問，如下表所示：

32 位16 位32 位16 位

ESI	SI	EBP	BP
EDI	DI	ESP	SP

特殊用法

某些通用寄存器有特殊用法：

• 乘除指令默認使用EAX。它常常被稱為擴展累加器（extended accumulator）寄存器。
• CPU 默認使用 ECX 為循環計數器。
• ESP 用于尋址堆棧（一種系統內存結構）數據。它極少用于一般算術運算和數據傳輸，通常被稱為擴展堆棧指針（extended stack pointer）寄存器。
• ESI 和 EDI 用于高速存儲器傳輸指令，有時也被稱為擴展源變址（extended source index）寄存器和擴展目的變址（extended destination index）寄存器。
• 高級語言通過 EBP 來引用堆棧中的函數參數和局部變量。除了高級編程，它不用于一般算術運算和數據傳輸。它常常被稱為擴展幀指針（extended frame pointer）寄存器。

段寄存器

實地址模式中，16 位段寄存器表示的是預先分配的內存區域的基址，這個內存區域稱為段。保護模式中，段寄存器中存放的是段描述符表指針。一些段中存放程序指令（代碼），其他段存放變量（數據），還有一個堆棧段存放的是局部函數變量和函數參數。

指令指針

指令指針（EIP）寄存器中包含下一條將要執行指令的地址。某些機器指令能控制 EIP，使得程序分支轉向到一個新位置。

EFLAGS 寄存器

EFLAGS （或 Flags）寄存器包含了獨立的二進制位，用于控制 CPU 的操作，或是反映一些 CPU 操作的結果。有些指令可以測試和控制這些單獨的處理器標志位。

設置標志位時，該標識位 =1；清除（或重置）標識位時，該標志位 =0。

控制標志位

控制標志位控制 CPU 的操作。例如，它們能使得 CPU 每執行一條指令后進入中斷；在偵測到算術運算溢出時中斷執行；進入虛擬 8086 模式，以及進入保護模式。

程序能夠通過設置 EFLAGS 寄存器中的單獨位來控制 CPU 的操作，比如，方向標志位和中斷標志位。

狀態標志位

狀態標志位反映了 CPU 執行的算術和邏輯操作的結果。其中包括：溢出位、符號位、零標志位、輔助進位標志位、奇偶校驗位和進位標志位。下述說明中，標志位的縮寫緊跟在標志位名稱之后：

• 進位標志位（CF），與目標位置相比，無符號算術運算結果太大時，設置該標志位。
• 溢出標志位（OF），與目標位置相比，有符號算術運算結果太大或太小時，設置該標志位。
• 符號標志位（SF），算術或邏輯操作產生負結果時，設置該標志位。
• 零標志位（ZF），算術或邏輯操作產生的結果為零時，設置該標志位。
• 輔助進位標志位（AC），算術操作在 8 位操作數中產生了位 3 向位 4 的進位時，設置該標志位。
• 奇偶校驗標志位（PF），結果的最低有效字節包含偶數個 1 時，設置該標志位，否則，清除該標志位。一般情況下，如果數據有可能被修改或損壞時，該標志位用于進行 錯誤檢測。

3) MMX 寄存器

在實現高級多媒體和通信應用時，MMX 技術提高了 Intel 處理器的性能。8 個 64 位 MMX 寄存器支持稱為 SIMD（單指令，多數據，Single-Instruction，Multiple-Data）的特殊指令。

顧名思義，MMX 指令對 MMX 寄存器中的數據值進行并行操作。雖然，它們看上去是獨立的寄存器，但是 MMX 寄存器名實際上是浮點單元中使用的同樣寄存器的別名。

4) XMM 寄存器

x86 結構還包括了 8 個 128 位 XMM 寄存器，它們被用于 SIMD 流擴展指令集。

浮點單元

浮點單元（FPU, floating-point unit）執行高速浮點算術運算。之前為了這個目的，需要一個獨立的協處理器芯片。從 Intel486 處理器開始，FPU 已經集成到主處理器芯片上。

FPU 中有 8 個浮點數據寄存器，分別命名為 ST（0），ST（1），ST（2），ST（3），ST（4）， ST（5）， ST （6）和 ST（7）。其他控制寄存器和指針寄存器如下圖所示。

x86 內存管理

x86 處理器按照前面討論的基本操作模式來管理內存。保護模式是最可靠、最強大的，但是它對應用程序直接訪問系統硬件有著嚴格的限制。

在實地址模式中，只能尋址 1MB 內存，地址從 00000H 到 FFFFFH。處理器一次只能運行一個程序，但是可以暫時中斷程序來處理來自外圍設備的請求（稱為中斷（interrupt））。

應用程序被允許訪問內存的任何位置，包括那些直接與系統硬件相關的地址。MS-DOS 操作系統在實地址模式下運行，Windows 95 和 98 能夠引導進入這種模式。

在保護模式中，處理器可以同時運行多個程序，它為每個進程（運行中的程序）分配總共 4GB 的內存。每個程序都分配有自己的保留內存區域，程序之間禁止意外訪問其他程序的代碼和數據。MS-Windows 和 Linux 運行在保護模式下。

在虛擬 8086 模式中，計算機運行在保護模式下，通過創建一個帶有 1MB 地址空間的虛擬 8086 機器來模擬運行于實地址模式的 80×86 計算機。例如，在 Windows NT 和 2000 下，當打開一個命令窗口時，就創建了一個虛擬 8086 機器。同一時間可以運行多個這樣的窗口，并且窗口之間都是受到保護的。

在 Windows NT，2000 和 XP 系統中，某些需要直接使用計算機硬件的 MS-DOS 程序不能運行在虛擬 8086 模式下。

下一篇：1.11?字符在計算機中是如何表示的
1.12?匯編語言布爾表達式
處理器架構
2.1?CPU處理器架構
2.2?32位x86處理器架構
2.3?x86-64處理器架構
2.4?x86計算機組件
匯編語言基礎
3.1?第一個匯編語言程序
3.2?匯編語言常量
3.3?匯編語言保留字
3.4?匯編語言標識符
3.5?匯編語言偽指令

總結

以上是生活随笔為你收集整理的32位x86处理器架构的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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