Intel 64/x86_64/IA-32/x86处理器基本执行环境 (1) - 32位执行环境概述

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Basic Execution Environment Overview

IA-32处理器提供了一套完整的资源,在处理器上运行的程序/任务可以执行指令,存储代码,数据以及状态信息。这些资源(如下简要的列表和示意图)构成了IA-32处理器的基本执行环境。

Intel 64处理器除了支持IA-32处理器的基本执行环境,在IA-32e模式下还支持一个类似的环境可以执行64位程序(64位子模式)与32位程序(兼容子模式)。注:详情可以参考处理器运行模式一节。

处理器提供的基本运行环境由应用程序与操作系统/管理软件共享/联合使用。

  • 地址空间address space – 任何运行在IA-32处理器上的程序/任务都可以寻址最大4GB(2^32)的线性地址空间和最大高达64GB(2^36)的物理地址空间。
  • 基本的程序执行寄存器 – 8个通用寄存器,6个段寄存器,EFLAGS标志寄存器,EIP指令指针寄存器构成了程序的基本执行环境,可以用来执行通用指令。这些指令对字节/单字/双字宽度的整型数执行基本的算术操作,控制程序流,操作比特位和字节字符串,以及存储器访问寻址。
  • x87 FPU寄存器 – 8个x87 浮点数据寄存器,x87浮点控制寄存器,状态寄存器,x87浮点指令指针寄存器,x87 FPU操作数(数据)指针寄存器,x87浮点标志(tag)寄存器,以及x87操作码寄存器联合为单精度/双精度/扩展双精度浮点值,单字/双字/四字整型数,和BCD值提供了执行环境。
  • MMX寄存器 – 8个MMX寄存器支持单指令多数据SIMD操作,操作数可以是64位组合组合的字节/单字/双字整型数。
  • XMM寄存器 – 8个XMM寄存器和MXCSR寄存器支持SIMD操作,操作数可以是128位组合的单精度/双精度浮点值,以及128位组合的字节/单字/双字/四字整型数。
  • YMM寄存器 – YMM寄存器支持SIMD操作,操作数可以是256位组合的单精度/双精度浮点值,以及256位组合的字节/单字/双字/四字整型数。
  • Bounds寄存器 – BND0~BND3中的每个寄存器存储存储器区域的低边界与高边界(每个边界64位宽),这个边界与访存的指针关联。用于支持Intel MPX(memory protection extension)指令。
  • BNDCFGU和BNDSTATUS – 当进行边界检查时,BNDCFGU配置用户模式MPX操作。当MPX操作引发#时,BNDSATUS提供了额外的信息。

  • 栈stack – 为了支持过程/子程序调用,以及在调用者与被调用者之间传递参数,基本执行环境还包括栈空间与栈管理资源。栈空间位于存储器中(上图未包含栈的示意图)

除了基本执行环境提供的资源,IA-32架构还提供了如下的系统级资源,主要服务于系统软件。这些资源为操作系统和系统开发软件提供了广泛的支持。

  • I/O端口 – IA-32架构支持处理器与I/O端口之间的数据传输。
  • 控制寄存器Control Registers – 5个控制寄存器(CR0~CR4)决定处理器的运行模式,以及当前执行任务的特征。
  • 存储器管理寄存器memory management registers – 全局描述符表寄存器GDTR,中断描述符表寄存器IDTR,任务寄存器TR,局部描述符表寄存器LDTR指定了保护模式下用于存储器管理的数据结构的位置。
  • 调试寄存器Debug Register – 调试寄存器(DR0~DR7)控制并启用处理器的调试操作。
  • 存储器类型区域寄存器Memory type range registers (MTRR) – MTRR用来给存储器区域分配存储类型。
  • 机器特定寄存器Machine specific registers (MSR) – 处理器提供了各种机器特定寄存器,,用来控制并汇报程序的性能。事实上,所有的MSR寄存器用来处理系统相关的功能,通常应用程序无法访问(注:使用RDMSR/WRMSR访问)。只有一个例外,时间戳计数器TSC寄存器可以从应用层访问。
  • 机器检查寄存器machine check registers – 机器检查寄存器有一组控制,状态与错误汇报MSR组成,用来侦测并汇报硬件(机器)错误。
  • 性能监视计数器performance monitoring counters – 性能监视计数器用来监视处理器性能事件。

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